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Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Centro de Tecnologia e Ciência

Faculdade de Engenharia

Marcos Herbert Smith dos Santos

Potencial de energia solar e de geração com sistemas

fotovoltaicos conectados à rede em Moçambique

Rio de Janeiro

2014


Potencial de energia solar e de geração com sistemas

fotovoltaicos conectados à rede em Moçambique

Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração: Fenômenos de Transportes.

Orientador: Prof. Dr. Mauro Carlos Lopes Souza

Coorientador: Prof. Dr. Trajano de Souza Viana

Rio de Janeiro

2014

CATALOGAÇÃO NA FONTE

UERJ / REDE SIRIUS / BIBLIOTECA CTC/B

Autorizo, apenas para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial

desta dissertação, desde que citada a fonte.

Assinatura Data

S237 Santos, Marcos Herbert Smith dos.

Potencial de energia solar e de geração com sistemas fotovoltaicos conectados à rede em Moçambique / Marcos Herbert Smith dos Santos. - 2014.

107 f.

Orientador:. Mauro Carlos de Souza. Coorientador: Trajano de Souza Viana. Dissertação (Mestrado) – Universidade do Estado do Rio

de Janeiro, Faculdade de Engenharia.

1. Engenharia Mecânica. 2. Energia solar – Dissertações. 3. Moçambique. I. Souza, Mauro Carlos de. II. Viana, Trajano de Souza. III. Universidade do Estado do Rio de Janeiro. IV. Título.

CDU 620.92(679)


Potencial de Energia Solar e de Geração com Sistemas

Fotovoltaicos Conectados à Rede em Moçambique

Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Área de concentração: Fenômenos de Transportes.

Aprovado em: 30 de janeiro de 2014. Banca Examinadora:

___________________________________________________________

Prof. Dr. Mauro Carlos Lopes Souza (Orientador)

Faculdade de Engenharia – UERJ

___________________________________________________________

Prof. Dr. Trajano de Souza Viana (Coorientador)

Centro Federal de Educação Tecnológica - CEFET/RJ

___________________________________________________________

Prof. Dr. Luiz Artur Pecorelli Peres

Faculdade de Engenharia – UERJ

___________________________________________________________

Prof. Dr. Samuel Luna de Abreu

Instituto Federal de Santa Catatarina - IF/SC

___________________________________________________________

Prof. Dr. Weber Figueiredo da Silva

Centro Federal de Educação Tecnológica - CEFET/RJ

Rio de janeiro

2014

DEDICATÓRIA

À minha família, à minha esposa Hilzese à minha irmã Giuliana, que sempre

me ajudaram e estimularam a estudar.

AGRADECIMENTOS

A Deus que me criou e me inspirou a realizar este trabalho.

Ao professor Mauro Carlos Lopes Souza, amigo, orientador, que com

dedicação e sabedoria me orientou e encorajou nos estudos.

Ao professor Trajano de Souza Viana, coorientador, que com muita

sabedoria me ajudou a estruturar a dissertação.

À professora Mila Avelino que sempre me encorajou e me ajudou.

Ao professor Weber Figueiredo, pelas observações e sábios conselhos.

Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da UERJ, em

especial ao professor Norberto Mangiavacchi, e a todos os seus excelentes

professores cujo conhecimento transmitido criou, para mim, novas oportunidades

profissionais e possibilitou a realização deste desejo de aprofundar meu

conhecimento em uma área de pesquisa.

Aos meus colegas do curso de mestrado que sempre me auxiliaram e

apoiaram.

À Silvia Pereira, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), pela

colaboração no trabalho de elaborar os mapas solarimétricos com as especificações

adequadas a esta dissertação.

A todos que direta ou indiretamente contribuíram para que este trabalho

tivesse êxito.

RESUMO

SANTOS, Marcos Herbert Smith dos. Potencial de energia solar e de geração com sistemas fotovoltaicos conectados à rede em Moçambique. 2014. 107 f, Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2014.

A energia solar fotovoltaica é uma alternativa de energia limpa que está se tornando uma importante opção para se utilizar eletricidade em regiões desprovidas de energia elétrica. Um estudo das condições energéticas da região através de consulta às concessionárias de energia elétrica (Eletricidade de Moçambique - EDM no caso de Moçambique) e do Ministério de Energia do Governo, são fontes importantes de dados para se conhecer o cenário energético de cada região. Outra fonte de dados importante para se estimar o potencial de geração de energia solar fotovoltaico sãoos indices de irradiação da região. Estes podemser obtidos através do órgão meteorológico da região (INAM no caso de Moçambique) que forneceesses dados para as principais cidades através de suas estações meteorológicas espalhadas na região. Laboratórios de pesquisa internacionais sãooutra importante fonte de dados solarimétricos, pois utilizam satélites capazes de cobrir todo globo terrestre e os dados obtidos são publicados e permitem, a partir das coordenadas do local, identificar a irradiação solar em diversos locais do mundo. Os dados desses laboratórios podem ser comparados com dados de órgãos oficiais da região. Utilizando o banco de dados solarimétricospode-se calcular o potencial fotovoltaico de geração de energia de cada localização e também definir qual região seria mais propícia a utilização de energiasolar fotovoltaica conectada à rede.

Palavras-chave: Energia solar fotovoltaica; Irradiação solar; Potencial solar

fotovoltaico; Conexão a rede.

ABSTRACT

SANTOS, Marcos Herbert Smith dos. Potential of solar energy and generation with fotovoltaic system connected to grid in Mozambique. 2014. 107 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2014.

Photovoltaic solar energy is an alternative clean energy that it is becoming an important option to be used in region that it does not have available electricity. A study about energy condition of region contacting local energy company (Electricity of Mozambique EDM in the case of Moçambique) and the ministry of governmental are important resources of data to know the electric power conditions scenery of each region. Another important data resource to assesss the photovoltaic potencial of a region is to access the solarimetric data of region. It should be got from the region meteorological organ (in Mozambique it is INAM) that provides this information for main cities through its meteorological station spread across the region. Research International labs are another important resource of the data. They use satellites that are able to cover the whole terrestrial globe and make it available. These data allow applications through the coordinates of the location, identify the exact solar irradiance at any point (in the case NREL in the USA). Laboratory data should be validated through comparisons with data from the official bodies of the region. Thus it is possible to build a solarimetric database and assess photovoltaic potential power generation of each location. On the current study done to Mozambique it was observed that some regions without electricity grid are very adequate to the utilization of solar energy for the direct generation of electricity connected to grid.

Keywords: Photovoltaic solar energy; Solar irradiation; Fotvoltaic solar potential; Grid

connection.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1– Mapas de Moçambique com localização geográfica

e divisão administrativa 18

Figura 2 – Mapa com a localização das usinas hidrelétricas

de Moçambique 20

Figura 3 – Componentes da radiação solar direta, difusa e devida

ao albedo 27

Figura 4 – Exemplo de Piranômetro 28

Figura 5 – Instrumento de medição de radiação e temperatura 29

Figura 6 – Sensor fotovoltaico de silício 29

Figura 7 – Trajetória dos raios solares na atmosfera e definição

do Coeficiente de Massa de Ar (AM) 30

Figura 8 – Distribuição espectral da radiação solar 31

Figura 9 – Célula solar básica de silício monocristalino 34

Figura 10 – Geração de corrente em uma célula solar de silício

monocristalino 34

Figura 11 – Célula solar fotovoltaica típica 35

Figura 12 – Circuito elétrico equivalente de uma célula fotovoltaica 36

Figura 13 – Curva característica de uma junção PN com e

sem iluminação 37

Figura 14 – Modelo elétrico ideal de uma junção PN iluminada com

correntefotogeradaIph e corrente no diodo ID 38

Figura 15 – Diagrama do circuito equivalente e curva

característica de uma célula irradiada 38

Figura 16 – Diagrama completo do circuito equivalente real 40

Figura 17 – Curvas de uma célula solar fotovoltaica 41

Figura 18 – Curva característica de umacélula de silíciomonocristalino 42

Figura 19– Curvatípica de potência x tensão numa célula

de silício mocristalino 42

Figura 20– Parâmetros de potência máxima 43

Figura 21 – Tensão de circuito aberto e corrente em função

dairradiância 44

Figura 22 - Fator de forma FF das células solares 44

Figura 23 – Efeito da variação da temperatura no comportamento

dacélula fotovoltaica 45

Figura 24 – Células em série para formar um módulo fotovoltaico 46

Figura 25 – Visão em corte deum módulo fotovoltaico 47

Figura 26 – Módulo fotovoltaico monocristalinosiemens de

72 células 47

Figura 27 – Montagem de módulos sobre telhado 48

Figura 28 –Componentes básicos de um sistema fotovoltaico isolado 49

Figura 29–Componentes básicos de um sistema fotovoltaico

conectado à rede 49

Figura 30- Potência Fotovoltaica Instalada no Mundo 50

Figura 31 – Potência fotovoltaica instalada na Europa 50

Figura 32 – Diagrama de blocos de um inversor para conexão à rede 53

Figura 33 – Mapa da região norte de Moçambique

mapeado em células 56

Figura 34 – Mapa da região central de Moçambique

mapeado em células 57

Figura 35 – Região Sul de Moçambique Mapeado em Células 57

Figura 36 – Mapa de irradiação total inclinada e do potencial

estimadode geração fotovoltaica na Alemanha 59

Figura 37 – Variação da temperatura na cidade de Tete 60

Figura 38 – Variação da temperatura na cidade de Chokwe 60

Figura 39 – Variação datemperatura na cidade de Inhambane 61

Figura 40 – Valores das médias diárias mensais e médias diárias

anuais de irradiação para a cidade de Maputo 66


anuais de irradiação para a cidade de Chokwe 67


anuais de irradiação para a cidade de Pemba 67

Figura 43 –Valores das médias diárias mensais e médias diárias

anuais de irradiação para a cidade de Tete 68


anuais de irradiação para a cidade de Nampula 68


anuais de irradiação para a cidade de Lichinga 69


anuais de irradiação para a cidade de Quelimane 69


anuais de irradiação para a cidade de Beira 70


anuais de irradiação para a cidade de Chimoio 70


anuais de irradiação para a cidade de Inhambane 71

Figura 50 – Geração fotovoltaica estimada para Maputo 74

Figura 51 – Geração fotovoltaica estimada paraInhambane 74

Figura 52 – Geração fotovoltaica estimada para Chimoio 75

Figura 53 – Geração fotovoltaica estimada para Beira 75

Figura 54 – Geração fotovoltaica estimada para Quelimane 76

Figura 55 – Geração fotovoltaica estimada para Lichinga 76

Figura 56– Geração fotovoltaica estimada para Nampula 77

Figura 57 – Geração fotovoltaica estimada para Chokwe 77

Figura 58 – Geração fotovoltaica estimada para Tete 78

Figura 59 – Geração fotovoltaica estimada para Pemba 78

Figura 60–Mapa da África mostrando localização de Moçambique 80

Figura 61 – Mapa de Moçambique com escala de altitude 81

Figura 62– Mapa de Moçambique com escala de populacão 82

Figura 63 – Mapa de irradiação total inclinada para Moçambique

referente ao mês de Janeiro 83

Figura 64 - Mapa de irradiação total inclinada para Moçambique

referente ao mês de Fevreiro 83


referente ao mês de Março 84


referente ao mês de Abril 84


referente ao mês de Maio 85


referente ao mês de Junho 85


referente ao mês de Julho 86


referente ao mês de Agosto 86


referente ao mês de Setembro 87


referente ao mês de Outubro 87

Figura 73 - Mapa Solarimétrico de Moçambique de Irradiação

Inclinada para o Mês de Novembro 88


referente ao mês de Dezembro 88

Figura 75 - Mapa de Moçambique com total anual de

irradiaçãoglobal (horizontal) 89

Figura 76 - Mapa de Moçambique de com o total anual de

irradiaçãototal (inclinada) 90

Figura 77 - Mapa Solarimétrico do Brasil de Irradiação

Inclinada total anual 91

Figura 78 – Mapa de Moçambique do potencial estimado

de geração anual de energia solar fotovoltaica 92

LISTA DAS TABELAS

Tabela 1 – Distribuição da HCB 20

Tabela 2 - Hidrelétricas em Moçambique 20

Tabela 3 - Parte da tabela Periódica com os elementos utilizados

na produção de células fotovoltaicas 36

Tabela 4 - Parâmetros do circuito fotovoltaico 39

Tabela 5–Exemplo de valores de coeficientes de temperatura do

Módulo fotovoltaico Yingli 46

Tabela 6 – Irradiação Total Inclinada (HTOT)nas Capitais

Moçambicanas 65

Tabela 7 – Irradiação direta normal nas Capitais Moçambicanas 65

Tabela 8 – Irradiaçãodifusa nas capitais Moçambicanas 66

Tabela 9 -Comparação de irradiação INAM x NREL 71

Tabela 10 – Valores das médias diárias anuais e total anual de

irradiaçõestotais para as capitais Moçambicanas 72

Tabela 11 – Irradiaçãototal inclinada (HTOT) e geração para Maputo 74

Tabela 12 – Irradiaçãototal inclinada (HTOT) e geração

para Inhambane 74

Tabela 13 – Irradiaçãototal inclinada (HTOT) e geração para Chimoio 75

Tabela 14 – Irradiaçãototal inclinada (HTOT) e geração para Beira 75

Tabela 15 – Irradiaçãototal inclinada (HTOT) e geração para Quelimane 76

Tabela 16 – Irradiaçãototal inclinada (HTOT) e geração para Lichinga 76

Tabela 17 – Irradiaçãototal inclinada (HTOT) e geração para Nampula 77

Tabela 18 – Irradiaçãototal inclinada (HTOT) e geração para Chokwe 77

Tabela 19 – Irradiaçãototal inclinada (HTOT) e geração para Tete 78

Tabela 20 – Irradiaçãototal inclinada (HTOT) e geração para Pemba 78

Tabela 21 – Potencial de geração fotovoltaica estima para as

cidades Moçambicanas 79

LISTA DE ABREVEATURAS

CA Corrente alternada

CC Corrente continua

GWh Giga Watt hora

IGBT Transisitor bipolar de porta isolada

I x V Corrente versus Tensão

kW Kilo Watt

kWh Kilo watt hora

kWp Kilo watt pico

MPP Ponto de potência máxima

MWp Mega watt pico

PV Painel fotovoltaico

PWM Modulação por largura de pulso

PxV Potência versus Tensão

SMART-GRIDE Rede inteligente

STC Condição padrão de teste

String Séries

UPS Fonte ininterrupta d eenergia

W Watt

Wh Watt hora

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associação brasileira de normas técnicas

AIM Missão internacional no interior da África

ALTENER Programa europeu de dessiminação de tecnologia solar

CEPEL Centro de pesquisa de energia elétrica

EDENR Estratégia de desenvolvimento de energias novas e renováveis de

Moçambique

EDM Eleltricidade de Moçambique

EPIA Associação da indústria fotovoltaica europeia

INAM Instituto nacional meteorológico de Moçambique

NREL Laboratório nacional de energia renovável dos Estados Unidos

SMA Fabricante de inversor

YINGLI Fabricante de painéis fotovoltaicos

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ........................................................................................... 18

1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................... 25

2.1 ENERGIA SOLAR ...................................................................................... 25

2.2 TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA ............................................................... 32

2.2.1 Funcionamento da Célula Solar Fotovoltaica ............................................. 32

2.2.2 Circuito Equivalente de Uma Célula Fotovoltaica ....................................... 36

2.2.3 Curva Característica I x V de uma Célula Fotovoltaica .............................. 40

2.2.4 Módulos Fotovoltaicos ................................................................................ 46

2.2.5 Sistemas Fotovoltaicos ............................................................................... 47

2.2.6 Inversor para Sistemas Fotovoltaicos conectados à rede .......................... 50

3 METODOLOGIA ........................................................................................ 55

3.1 Obtenção de Banco de Dados de Irradiação .............................................. 55

3.2 Elaboração de Mapas Solarimétricos ......................................................... 58

3.3 Estimativa da Geração de Energia de Sistemas Fotovoltaicos

Conectados à Rede (SFVCR) .................................................................... 59

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................. 65

4.1 Irradiação Solar em Moçambique ............................................................... 65

4.2 Estimativa de Geração de Energia Fotovoltaica em Moçambique ............. 73

4.3 Mapas de Irradiação e de Geração para Moçambique ............................... 80

5 CONCLUSÃO ............................................................................................ 95

REFERÊNCIAS .......................................................................................... 97

ANEXO 1 - Semicondor Silício e Germânio dopado com impureza

pentavalente tetetravalente ......................................................................100

18

INTRODUÇÃO

O continente africano possui vastos recursos de energia de fontesrenováveis

tais como solar, eólica e de biomassa. No entanto, encontra-se muito pouco

desenvolvido em relação ao resto do mundo na mobilização destes recursos para

produção de energia elétrica. Há muitas razões para a isso: pobreza,falta de

financiamentos e subsídios, falta de conhecimento técnico, soluções de baixo custo,

etc. Acredita-se que a principal barreira à implantação da energia renovável seja a

falta de iniciativas políticas e de investimento (HANKIS, 2009).

Moçambique está localizado na costa sudeste do continente africano, entre os

paralelos 10º27’ e 26º52’ S, e entre os meridianos 30º12’ e 40º51’. E, tendo como

limites a Leste o oceano Índico, a Norte a Tanzânia, o Malawi e a Zâmbia, a Oeste o

Zimbábue e a África do Sul e ao Sul, a Suazilândia (Moçambique, 2012). A Figura 1

mostra o mapa de Moçambique, com a sua localização no continente africano, e o

mapa da divisão administrativa em províncias.A superfície do país é de 799.380 km2

e se estende no sentido Norte-Sul, voltado para o Oceano Índico, com o qual se

confronta ao longo de 2.515 km da costa.

Figura 1 - Mapas de Moçambique com localização geográfica e divisão administrativa.

Fonte: (MOÇAMBIQUE, 2011)

19

O território moçambicano está dividido administrativamente em dez províncias,

como mostrado na Figura 1: Cabo Delgado, Niassa, Nampula, Zambézia, Tete,

Manica, Sofala, Inhambane, Gaza, Maputo e cidade de Maputo, esta última sendo a

capital do país. Cada uma das provinciais tem uma capital provincial, que são

respectivamente: Pemba, Lichinga, Nampula, Quelimane, Tete, Chimoio, Beira,

Inhambane, Chokwe e Maputo, as quais serão citadas neste trabalho como capitais.

O país conta com mais de 22 milhões de habitantes(MOÇAMBIQUE, 2012).

Moçambique apresenta clima tropical quente, com duas estações principais: a

estação quente e úmida, de outubro a março, e a estação fria e seca, de abril a

setembro. A temperatura média anual é de 23 a 26ºC nas zonas costeiras e a

precipitação é por volta de 1.200 mm por ano. O sul de Moçambique é a região mais

seca, enquanto que outras regiões apresentam precipitação de pelo menos 800 mm

por ano (ARTUR et al, 2011).

Moçambique é um dos muitos países africanos no qual a geração de

eletricidade tem como base as grandes centrais hidrelétricas e usinas térmicas

alimentadas a carvão. No entanto, é um dos países com níveis de consumo de

energia mais baixos no sul da África, tendo cerca de 70% do consumo energético

baseado em biomassa (lenha e carvão) e com apenas 23% da população tendo

acesso à energia elétrica.

Em termos de energia elétrica, Moçambique é dotado de considerável potencial

hidráulico e rico em outras fontes de energia renovável, adequadas para produção

de eletricidade, como energia solar, eólica, geotérmica, oceânica ebiomassa. A

matriz energética de Moçambique é considerada 70% biomassa e 30% hidráulica. O

potencial hidráulico é de cerca de 15 GW (AIM, 2012). A demanda de Moçambique

está estimada em 710 MW, a qual é praticamente proveniente das usinas

hidrelétricas (MOÇAMBIQUE, 2012).

Atualmente (2013) a principal fonte de energia elétrica em Moçambique é a

usina hidrelétrica de Cahora Bassa (HCB), com capacidade para gerar 2.070 MW,

que foi construída no rio Zambeze com objetivo principal de fornecer energia à África

do Sul e a indústria de Maputo. Desse total de 2.070 MW, 1.300 MW são vendidos à

Eskom, produtora e distribuidora sul-africana; cerca de 420 MW são fornecidos à

empresa pública “Eletricidade de Moçambique” (EDM, 2012) que abastece

Moçambique; 220 MW são fornecidos ao Zimbábue e cerca de 90 MW ao Botsuana.

20

A Tabela1 apresenta a distribuição da geração da HCB:

Tabela 1– Distribuição da HCB (EDENR, 2011)

A Tabela 2 apresenta as usinas hidrelétricas de Moçambique e as respectivas

potências.

Tabela 2 - Hidrelétricas em Moçambique (EDENR, 2011)

Hidrelétrica Capacidade (MW) Localização

Cahora Bassa (HCB) 2.070 Tete

Chicamba 36 Chimoio

Corumane 15 Maputo

Mazuvi 45 Chimoio

Massingir 60 Chowke

A Figura 2 apresenta o mapa de Moçambique com a localização das usinas

hidrelétricas.

Figura 2 - Mapa com a localização das usinas hidrelétricas em Moçambique. Fonte: (EDM, 2012)

21

O padrão da rede elétrica de consumidor em Moçambique é FN 220VAC /50Hz.

Moçambique possui ainda minicentrais hidrelétricas (MCH), cuja capacidade de

geração vai até 15 MW, as quais contribuem para iluminar pequenas comunidades.

Estima-se que existam de 60 a 100 regiões com características possíveis para fazer

aproveitamento por meio de minicentrais hidrelétricas (MCH). Uma pequena parte da

energia elétrica é produzida por usinas térmicas a gás de forma não constante e

estima-se que exista cerca de 200kWp instalados em energia solar fotovoltaica,

utilizada em escolas, hospitais e vilarejos remotos (ARTUR et al, 2011).

Os responsáveis pela política energética e investidores ainda põem em dúvida

os custos da energia solar e eólica, como se o custo fosse o único fator importante a

ser considerado na escolha de fontes de energia para o futuro. Apesar do custo da

eletricidade ser importante, este será ainda maior se não houver investimento e

aquisição de experiência no momento atual, início do século XXI, com as fontes de

energia solar, eólica ou biomassa.

O Ministério da Energia concluiu a elaboração da política de desenvolvimento

de energias renováveis para Moçambique, instrumento que visa criar condições para

o fornecimento de energia de qualidade e a preços acessíveis às populações de

baixa renda. Essa política pretende promover o uso e aproveitamento das energias

novas, renováveis e limpas com vista a acelerar o acesso a formas modernas de

energia e estimular o investimento no setor (HANKIS, 2009). Estas políticas ainda

não foram implementadas.

A energia eólica é uma fonte abundante de energia renovável, limpa e

disponível em diversas regiões. Estudos realizados há cerca de dois anos, na zona

de Tofinho, na província meridional de Inhambane, mostram que Moçambique tem

potencialidades suficientes para a exploraçãodo vento na geração de energia

elétrica. Atualmente, estão em curso estudos semelhantes na zona da Ponta d’Ouro,

na província de Maputo. A utilização de aerogeradores para aproveitamento da

energia dos ventos, na Praia da Rocha, na província meridional de Inhambane, está

numa fase conclusiva. As autoridades moçambicanas acreditam que o país também

tem potencialidades para desenvolver a energia geotérmica, gerada através das

águas quentes do subsolo, dada a existência de águas termais na província central

da Zambézia (EDENR, 2011).

22

De todas as formas de energia renováveis que Moçambique dispõe,

excetuando a hidráulica, a solar é a mais utilizada principalmente para atender às

necessidades das populações rurais com sistema fotovoltaicos isolados.

Os níveis de irradiação média anual em Moçambique situam-se em torno de

5.8 kWh/m2/dia, o que indica um grande potencial para geração de energia

fotovoltaica. O Fundo Nacional de Energia (FUNAE), instituição pertencente ao

Ministério da Energia, desenvolve um projeto de eletrificação rural com utilização de

sistemas fotovoltaicos, visando à eletrificação de escolas e unidades sanitárias e

possui também, um projeto para construção de uma fábrica de módulos fotovoltaicos

em parceria com a empresa indiana Central ElectronicsLimited (CEL). A unidade de

produção de módulos fotovoltaicos deverá ser erguida na província de Maputo e

contará com o financiamento do Governo da Índia (HANKIS, 2009).

Estudos indicam que o próximo ano (2014) será marcado por uma mudança

no eixo de crescimento de utilização de energia solar fotovoltaica, da Europa para a

Ásia, em especial para a China, pois os países asiáticos têm se tornado não apenas

consumidores, mas produtores de módulos fotovoltaicos. Essa inversão se dá

devido ao domínio da tecnologia fotovoltaica e à redução do custo de produção.

Estima-se uma redução de 40% no custo de fabricação dos módulos fotovoltaicos de

silício, até 2017. No início do segundo semestre de 2013, a União Europeia fez um

acordo com a China na tentativa manter o preço dos módulos, normalmente

especificado por watt-pico (Wp), em Є0,56/Wp (BAYAR, 2013).

O subsídio europeu e a questão ambiental são dois grandes aliados na

redução do custo do Wp. Além da redução do preço dos módulos fotovoltaicos, outro

fator tem contribuído para expansão da utilização de sistemas fotovoltaicos

conectados à rede: a rápida evolução da tecnologia dos inversores, os quais já

alcançam eficiência em torno de 99% e são fornecidos com garantia de 5, 10 ou de

até 20 anos, dada pelos fabricantes.

O cenário em Moçambique se apresenta, portanto, bastante favorável para a

geração de eletricidade com sistemas fotovoltaicos e, embora a ênfase atual seja

nos sistemas isolados, há a tendência mundial para geração utilizando sistemas

fotovoltaicos conectados à rede. O emprego desse tipo de sistema também chegará

a Moçambique e o conhecimento do potencial de recurso solar bem como de

23

geração fotovoltaica será fundamental para o desenvolvimento da tecnologia no

país.

1.1 MOTIVAÇÃO PARA O TRABALHO

Durante três anos residindo na cidade de Tete, foi observado a necessidade de

algumas regiões em Moçambique, sobre tudo em Tete, de dispor de eletricidade.

Durante este período foram realizados contatos com alguns pesquisadores da

Universidade Eduardo Mondlane, em Maputo, dentre eles o Prof. Boaventura

Chongo Cuamba, Professor de Física de Energia Renováveis do Departamento de

Física, que descreveu pesquisas em andamento sobre aplicações da energia solar

em Moçambique, mas não sobre o potencial solarimétrico e fotovoltaico. Este foi o

incentivo para estudar o assunto e elaborar este trabalho sobre o potencial

solarimétrico e fotovoltaico para o território moçambicano, que poderá servirde

estímulo ao uso da energia solar para a geração de energia elétrica com sistemas

fotovoltaicos conectados à rede.

1.2. OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo Geral

O objetivo desta dissertação é realizar um estudo sobre as condições

solarimétricas de Moçambique e apresentar o potencial de geração estimado com

sistemas fotovoltaicos conectados à rede, para todo o território moçambicano,

visando identificar as regiões mais propícias ao aproveitamento da energia solar

para geração direta de eletricidade.

1.2.2. Objetivos Específicos

Obter bancos de dados de irradiação global (horizontal) e total (inclinada),

direta normal e difusa, para todo território moçambicano;

Comparar os bancos de dados de irradiação obtidos para verificar resolução

espacial e desvios entre os dados;

24

Realizar levantamento de dados e elaborar gráficos e tabelas da irradiação

global (horizontal), total (inclinada), direta normal e difusa, para as capitais

moçambicanas;

Elaborar mapas de irradiação solar para Moçambique com os dados obtidos;

Estimar a geração de energia de sistemas fotovoltaicos conectados à rede

para as capitais;

Elaborar mapa de geração estimada com sistemas fotovoltaicos conectados à

rede para Moçambique;

Analisar a importância de instalar sistemas fotovoltaicos conectados à rede

em Moçambique.

25

2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 ENERGIA SOLAR

A energia proveniente do Sol se propaga até a Terra na forma de ondas

eletromagnéticas e é uma forma de energia renovável, praticamente inesgotável,

que está disponível gratuitamente e pode ser aproveitada para suprir parte das

necessidades da sociedade, seja para aplicações de aquecimento ou para a

geração de eletricidade.

A energia radiante advinda do Sol é a fonte básica da tecnologia fotovoltaica e

precisa ser medida e quantificada visando a aplicação na geração de energia

elétrica.

A terminologia empregada na literatura sobre energia solar apresenta muitas

variações para designar as grandezas solarimétricas. Denominações como radiação,

irradiação, insolação e irradiância são utilizadas com acepções diversas e muitas

vezes para designar grandezas distintas em dois textos diferentes.

A norma ABNT NBR 10898 - Energia Solar Fotovoltaica – Terminologia, define

os termos técnicos relativos à conversão fotovoltaica de energia solar, terminologia,

simbologia e unidades padronizadas no Brasil, nesta área, para as grandezas

solarimétricas. Neste trabalho, a expressão “radiação solar” é utilizada para

designar, de forma genérica, a energia vinda do Sol e são adotadas as seguintes

definições e simbologias, conforme a NBR 10898 (ABNT, 2006):

Irradiância Solar (G) - Taxa na qual a radiação solar incide em uma superfície, por

unidade de área desta superfície, medida em watt por metro quadrado (W/m2);

Irradiância Global (GHOR) - Potência radiante solar, recebida em uma unidade de

área em uma superfície horizontal, que é igual à irradiância direta mais a

irradiância difusa;

Irradiância Direta (GDIR) - Irradiância solar incidente em uma superfície, sem ter

sido espalhada pela atmosfera, podendo ser horizontal (GDIR) ou normal (GDIRN);

Irradiância Difusa (GDIF) - Potência radiante do céu, recebida em uma unidade de

área em uma superfície horizontal, excluída a irradiância direta;

Irradiância Total (GTOT) - Potência radiante solar total com as componentes direta,

difusa e de albedo, recebida em uma unidade de área em uma superfície com

inclinação qualquer;

26

Albedo - Índice relativo à fração da energia solar, recebida em uma unidade de

área, devida à refletância dos arredores e do solo onde está instalado um

dispositivo.

A irradiação é igual à integral da irradiância (kW/m2) e representa energia por

unidade de área incidente em uma superfície (kWh/m2) no período considerado e,

graficamente, a irradiação corresponde à área sob a curva da irradiância ao longo do

tempo.

As definições relativas à irradiação, conforme a NBR 10898 são (ABNT, 2006):

Irradiação Solar (H) - Irradiância solar integrada durante um dia, medida em watt

hora por metro quadrado (Wh/m2);

Irradiação Global (HHOR) - Irradiância global integrada durante um dia;

Irradiação Difusa (HDIF) - Irradiância difusa integrada durante um dia;

Irradiância devida ao Albedo (GALB)- Irradiância refletida;

Irradiação Total (HTOT) - Irradiância total integrada durante um dia;

Irradiação Direta (HDIR) - Irradiância direta integrada durante um dia, podendo ser

horizontal (HDIR) ou normal.

A irradiância solar que chega ao topo da atmosfera varia ligeiramente em

função da distância entre a Terra e o Sol e da atividade das manchas solares. O

valor médio dessa irradiância é denominado constante solar (Gsc), sendo definida

como a taxa de radiação solar, em todos os comprimentos de onda, incidente em

uma superfície localizada fora da atmosfera terrestre, perpendicular à radiação solar,

a uma distância de 1ua do Sol (ua, unidade astronômica é equivalente à distância

média Terra-Sol, igual a 149.597.870 km). O valor da constante solar, de acordo

com a definição, é independente da distância Terra-Sol, mas o seu valor varia entre

1.365 e 1.367 W/m2em função da atividade das manchas solares, sendo adotado o

valor médio (NREL, 2009),

Gsc = 1.366 W/m2

A radiação solar ao penetrar na atmosfera sofre diversos processos físicos e

chega à superfície terrestre composta de duas parcelas: radiação direta e radiação

difusa, conforme ilustrado na Figura.

27

Figura3 – Componentes da radiação solar: direta, difusa e devida ao albedo.

Fonte: (VIANA, 2010)

A radiação total, que é a incidente sobre uma superfície inclinada, inclui as

componentes direta, difusa e mais uma parcela devida à radiação refletida na

superfície e nos elementos do entorno, que é função do albedo do local. A radiação

total é muitas vezes referida na literatura como “radiação inclinada” ou “radiação no

plano inclinado” sendo, nesse caso, correspondente à radiação recebida em uma

superfície com inclinação igual à latitude do local.

No hemisfério sul, o sistema de captação solar fixo deve estar orientado para

o Norte Geográfico, de modo a receber os raios solares durante o ano e ser

colocado inclinado com relação à horizontal de um ângulo próximo ao da latitude do

lugar, conseguindo-se assim captar o máximo de energia solar ao longo do ano.

A radiação direta normal é aquela que incide sempre perpendicularmente a

uma superfície. Para que isso ocorra é necessário que a superfície seja móvel e

acompanhe a trajetória aparente do Sol, o que é obtido com o uso de dispositivos

denominados seguidores ou rastreadores. O resultado do seguimento do Sol se

traduz em mais energia captada pela superfície móvel do que seria obtida em uma

superfície horizontal fixa, situada no mesmo local.

Na elaboração da maioria dos projetos utiliza-se o valor mensal de irradiação

global horizontal para calcular o valor da irradiação total (de acordo com a inclinação

dos módulos) e estimar o potencial de produção de eletricidade dos sistemas

fotovoltaicos.

O melhor método para avaliar a radiação solar é através de medições com

instrumentos específicos, dos quais os mais comuns são os piranômetros (para

28

radiação global), e o pireliômetro (para radiação direta normal). Os piranômetros

atuais são instrumentos de medição de elevada precisão. São compostos,

principalmente, de duas semiesferasde vidro, um disco de metal preto que é usado

como superfície absorvente, termoelementos e uma concha de metal branco, como

demonstrado na Figura 4.

A radiação solar atravessa o vidro semiesférico, incidindo sobre a superfície

absorvente aquecendo-a. Uma vez que o aquecimento depende diretamente da

radiação, esta pode ser calculada recorrendo à diferença de temperatura do metal

branco e a superfície absorvente. Para calcular esta diferença de temperatura é

utilizada uma fita de termoelementos, dispostos em paralelo, que fornece uma

tensão proporcionalà diferença de temperatura (Gonçalves 2010).

Figura 4 - Exemplo de piranômetro. Fonte: (ALTENER, 2004)

Sensores fotovoltaicos também são utilizados para medir a irradiância, sendo

mais baratos do que os piranômetros, porém, com menor resposta espectral. Na

maioria dos casos são utilizados sensores de silício cristalino, consistindo de uma

célula fotovoltaica, que fornece uma corrente elétrica proporcional àirradiância solar.

A radiação infravermelha longa não pode ser medida por um sensor fotovoltaico,

devido à sensibilidade espectral do silício.

A Figura 5 exibe um instrumento de medição compacto que inclui um sensor,

um visualizador da radiação e da temperatura, e um sistema de aquisição e

armazenamento de dados opcional.

29

Figura 5 – Instrumento de medição de radiação e temperatura.

Fonte: (ALTENER 2004)

Os sensores solares são muitas vezes instalados junto aos módulos

fotovoltaicos, como exposto na Figura 6, que é um sensor portátil fotovoltaico de

silício calibrado. Os aparelhos de aquisição e armazenamento de dados permitem

que estes sejam analisados por meio de tabelas e gráficos e, comparando-se a

radiação medida com a energia elétrica produzida, pode-se avaliar o desempenho

do sistema solar fotovoltaico.

Figura 6 - Sensor fotovoltaicode silício. Fonte: (ALTENER 2004).

No topo da atmosfera da Terra a distribuição espectral é chamada de espectro

de radiação com massa de ar zero (MA=0).

O número da Massa de Ar (MA) é dado por:

Massa de Ar = 1/ cos Ɵ

30

Onde Ɵ é o ângulo de incidência.

O valor de Ɵ = 0 significa que o Sol está nozênite, isto é, exatamente sobre a

cabeça do observador, como pode ser visto na Figura 7.

Figura 7 – Trajetória dos raios solares na atmosfera e definição deMassa de Ar (AM). Fonte:(CEPEL, 1999)

A Massa de Ar interfere na absorção, pela atmosfera, de componentes

espectrais o que afeta a intensidade da radiação solar recebida na superfície da

Terra. O número da Massa de Ar é sempre maior ou igual a 1 (um) na superfície da

terra.

Uma maneira simples de estimar a Massa de Ar foi apresentada por Green,

1999, onde S é o comprimento da sombra proporcionada por um objeto de altura H:

Massa de Ar = (1 + (S /H)2)1/2

As condições padrão utilizadas para ensaio de células e módulos fotovoltaicos

(do inglês, Standard Test Conditions - STC) são: irradiância total de 1.000W/m2,

normal à superfície de ensaio; temperatura de junção da célula de 25ºC e espectro

solar com MA = 1,5. A unidade da potência nominal, ou potência de pico, é

simbolizada por “Wp” (ABNT, 2006).

31

A Figura 8 mostra a distribuição espectral da radiação solar em um dia claro,

para diferentes valores de massa de ar (MA = 1, MA = 1,5 e MA = 2).

Figura 8 – Distribuição espectral da radiação solar. Fonte: (CEPEL, 1999).

Os dados solarimétricos são de importância vital para a avaliação da produção

de um sistema solar, o que é um fator determinante para os cálculos de custo e de

retorno do investimento. Dependendo do tipo de sistema considerado, isolado ou

conectado à rede,sãoutilizados dados com base anual, mensal, diária ou horária. No

caso da geração em sistemas isolados, que utilizam baterias, podem ser

necessárias estimativas diárias, utilizando dados solarimétricoshorários para estimar

a produção instantânea.

Além dos dados solarimétricos, parâmetros meteorológicos como temperatura

ambiente e velocidade do vento influenciam o projeto ou avaliação de um dado

equipamento solar (SOUZA, 2011).

Os dados de mapas de radiação solar normalmente são suficientes para o

dimensionamento da área de coleta para sistemas de conversão solar, com

montagens fixas e inclinadas com ângulo igual à latitude do local. Este é o caso dos

sistemas fotovoltaicos conectados à rede, abordados nesta dissertação. Quando for

necessário um projeto de sistema de captação com rastreamento solar, ou se

desejar fazer estudos de simulação horária, serão necessários valores instantâneos

das componentes da radiação solar, requerendo o uso de bancos de dados horários

e de programas computacionais especialmente desenvolvidos para esta finalidade

(CEPEL, 1999).

32

2.2 TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA

O efeito fotovoltaico, que é base da geração direta de eletricidade a partir da

energia solar, é conhecido desde 1839 devido aos estudos realizados por Becquerel

que demonstraram a possibilidade de conversão de radiação luminosa em energia

elétrica, verificada quando da incidência de luz em um eletrodo mergulhado em uma

solução de eletrólito. Este mesmo efeito foi observado num sólido, o selênio, em

1877, por Adams e Day na Inglaterra. Em 1883 aparece a primeira célula solar

produzida com selênio, com eficiência de conversão de aproximadamente 1%.

Na década de 1930, os trabalhos de diversos pioneiros da física do estado

sólido, como Lange, Grondahl e Schottly, apresentaram importantes contribuições

para se obter uma clara compreensão do efeito fotovoltaico em uma junção de

estado sólido (óxido cuproso e selênio). Em 1941, Ohl obtém a primeira célula de

silício monocristalino. No ano de 1949, Billing e Plessermedem a eficiência de

células de silício cristalino e Shockley divulga a teoria da junção P-N de Shockley.

Entretanto, apenas em 1954 foi possível produzir uma célula fotovoltaica de silício

com características semelhantes às encontradas atualmente. Essas células foram

desenvolvidas a partir de trabalhos realizados no Bell TelephoneLaboratories pelos

pesquisadores Pearson, Fuller e Chapin, e possuíam eficiência de cerca de 6%.

Neste mesmo ano foi desenvolvido o processo de purificação de monocristais de

silício, conhecido como processo Czochralski que vinha sendo estudado desde o fim

da década de 40, e é largamente utilizado até hoje. Em 1956, Jenny, Lofersky e

Rapoport determinam a máxima eficiência de conversão teórica que pode ser obtida

em função do intervalo de energia dos materiais. O ano de 1958 marca o início, com

grande sucesso, da utilização de fotocélulas nos programas espaciais, sendo este o

principal uso das células solares na década de 60 e praticamente toda a década de

70 (FRAIDENRAICH e LYRA, 1995).

2.2.1 Funcionamento da Célula Solar Fotovoltaica

As células solares fotovoltaicas de semicondutor são dispositivos constituídos

de dois semicondutores, tipo N e P. Os semicondutores têm a capacidade de

absorver luz e liberar uma parcela da energia dos fótons absorvidos para transportar

corrente elétrica – elétrons e buracos (FARRET, 1999). Um diodo semicondutor

separa, captura os portadores e conduz corrente elétrica gerada em uma

33

determinada direção. O mesmo processo ocorre em uma célula solar fotovoltaica,

que é um diodo especialmente projetado e construído para absorver e converter

diretamente a energia da radiação solar em energia elétrica.

Toda radiação eletromagnética, incluindo a luz do sol, é composta de partículas

chamadas fótons que transportam uma quantidade específica de energia

determinada pelas propriedades espectral de suas fontes. Os fótons também

apresentam uma característica de movimento ondulatório com comprimento de

onda, λ, e energia, Eλ, que é dada pela equação:

Eλ= h.c / λ (1)

Onde h é a constante de Plank (6,63.10-34j-s) e c é a velocidade da luz (300.000

km/s)(EISBERG e RESNICK, 1979).

Então uma onda eletromagnética é formada por miriades de fótons, como se

fossem grãos de energia. A energia de cada fóton é denominada quantum de

energia. A energia total da onda eletromagnética é dada pelo somatório dessas

quantidades elementares de energia, isto é pelo somatório dos quantum que é

chamado quanta de energia (SILVA, 2012).

Somente fótons com energia suficiente para gerar um par de elétron-buraco, ou

seja, com energia maior que a banda proibida (gap ou Eg) do semicondutor, irão

contribuir para o processo de conversão de energia. Assim, a natureza do espectro

da luz solar é uma consideração importante no projeto de células solares eficientes

(LUQUE, 2012).

Uma estrutura simples de célula solar convencional é apresentada na Figura 9,

onde a luz solar incide do alto na parte frontal da célula.Uma grade metálica forma

um dos contatos elétricos do diodo. Esta grade permite a luz entrar no semicondutor,

ser absorvida e então ser convertida em energia elétrica. Uma camada antireflexiva

entre as linhas da grade aumenta a quantidade de luz que penetra no semicondutor.

34

Figura 9 - Célula solar básica de silício monocristalino. Fonte: (LUQUE, 2003).

O diodo semicondutor é obtido quando através de um processo metalúrgico,

uma camada semicondutora n e uma camada semicondutora p se juntam. Essas

camadas são especificamente obtidas através de adição de determinadas impurezas

(dopantes) no semicondutor. O outro contato elétrico do diodo é formado por uma

camada metálica colocada na base da célula solar (LUQUE,2003).

O anexo 1 (WEBER, 2003), para fins didáticos, apresenta o semicondutor (Si e

Ge), dopados, sob ação de um feixe luminoso, tal como são utilizados na formação

das células solares fotovoltaicas. Então pode-se observar a origem das correntes

(lacunas e buraco) e do campo elétrico formado na região de interface entre os dois

semiconditores tipo N e P.

A Figura 10 apresenta o diagrama de uma célula solar fotovoltaica

convencional simples com a geração da corrente da célula (par elétron-buraco, h+e

e-), que é a corrente gerada pela célula. Esta é a corrente que irá circular através do

circuito fechado ligado à célula, quando a mesma estiver iluminada.

35

Figura 10 –Geração de corrente em uma célula solar de siliciomonocristalino.

Fonte: ALTENER, 2004

A Figura 11 apresenta uma célula solar fotovoltaica típica pronta.

Figura 11 – Célula solar fotovoltaica típica. Fonte: (ALTENER, 2004)

As células solares fotovoltaicas podem ser fabricadas a partir de vários

materiais semicondutores. O mais comum é o silício (Si) cristalino, policristalino ou

monocristalino, e amorfo. As células solares também podem ser fabricadas a partir

de compostos semicondutores, tais como: arseneto de gálio (GaAs), disseleneto de

cobre gálio e índio (CuInGaSe2) e telureto de cádmio (CdTe).

Os materiais das células solares são escolhidos de acordo com suas

características de absorção do espectro solar e do custo de fabricação. O silício tem

sido o mais utilizado devido as suas boas características de absorção do espectro

36

solar e a tecnologia de fabricação estar bem desenvolvida e também como resultado

do avançado da indústria eletrônica de semicondutores (LUQUE, 2003).

Semicondutores de grau de qualidade dos dispositivos eletrônicos são de

materiais cristalinos de pureza muito elevada. A natureza desses cristais faz com

que seus átomos estejam alinhados numa estrutura periódica regular. Esta

periodicidade está combinada com as propriedades dos átomos dos elementos que

dão, aos semicondutores, propriedades eletrônicas específicas (CHEN, 2005).

Parte da tabela periódica, mostrada na Tabela 2, apresenta alguns elementos

que são utilizados na produção de células fotovoltaicas.

Tabela 3 – Parte da tabela periódica com elementos utilizados na produção de células fotovoltaicas. Fonte: (CHEN, 2005)

Observa-se na Tabela 3 que o silício (Si) se encontra na coluna IV, significando

que possui 4 elétrons de valência, ou seja, quatro elétrons que podem ser

compartilhados com átomos vizinhos na formação das ligações covalentes (LUQUE,

2003).

2.2.2 Circuito Equivalente de Uma Célula Fotovoltaica

A Figura 12 apresenta o circuito equivalente de uma célula fotovoltaica, na

qual o diodo representado indica que a tensão sobre a carga (RL) nunca ultrapassará

o valor de VD ( tensão do diodo).

O nível da tensão fotovoltaica gerada é função do Eg (energia do gap – zona

proibida) do material, da concentração de impurezas de ambos os lados, que é

representado por Np (buracos) e Nn (elétrons livres), Rs (resistência interna em série

do material) e Rp (resistências em paralelo interna do material). No caso do silício, a

diferença de potencial que aparece nos terminais da célula é 0,6 V (MILLMAN e

HALKIAS, 1981).

37

Figura 12- Circuito elétrico equivalente de uma célula fotovoltaica. Fonte: (ALTENER, 2004).

A presença da carga (RL) nos terminais da célula estabelece uma diferença

de potencial nos extremos da junção independentemente da corrente fotogerada. A

curva característica de uma junção iluminada será o resultado da superposição do

efeito da fotocorrente mais a curva característica da junção não iluminada, conforme

indica a Figura 13:

Figura 13 - Curva característica da junção P-N obtida em duas situações:junção com e sem

iluminação. Fonte: (MELLO e INTRATOR, 1980)

A curva da junção aparece deslocada do valor constante da fotocorrente (If), no

sentido das correntes negativas. Visto que sob condições de circuito aberto (Voc), a

corrente total deve permanecer zero, na junção PN a corrente resultante de elétrons

livres do cristal N, flui em sentido oposto a corrente gerada devido a radiação

resultando numa corrente total zero. Isto só é possível devido ao campo eletrico

existente na junção que tende a diminuir com o aumento da corrente gerada que

atravessa a junção (ASCROFT e MERMIN, 1976).

Quando a corrente de majoritários for igual à corrente de minoritários, a

corrente total cai à zero; a tensão para a qual a corrente total é zero é chamada de

38

potencial fotovoltaico. Então nos terminais do material da junção P-N, aparecerá

uma tensão exatamente igual àquela que diminuiu a barreira de potencial. Este

potencial é a força eletromotriz fotovoltaica, da ordem de 0,6V para a célula de silício

e 0,2 V para a célula de germânio (MILLMAN e HALKIAS, 1981).

Quando a tensão se torna positiva, a junção P-N fica polarizada diretamente,

ou seja, a partir do ponto M, (para o fluxo luminoso Ø1), tem-se duas correntes

superpostas, uma inversa e outra direta. Por isso a curva vai se aproximando do

eixo das abscissas, até que no ponto Voc atinge o eixo. Neste ponto a junção está

com a tensão Voc (circuito em aberto) nos seus terminais, mas a corrente que

circula é nula. Isto significa que o dispositivo pela ação do fluxo luminoso está dando

origem a uma força eletromotriz (MELO e BIASE, 1975).

A curva também conduz a um dispositivo gerador de corrente (fonte de

corrente), que pode ser representado segundo o modelo elétrico representado na

Figura 14, onde a contribuição devido ao diodo de junção P-N se encontra em

paralelo com a fonte geradora, proporcional por sua vez à intensidade de

iluminação.

Figura 14 - Modelo elétrico ideal de uma junção iluminada com as componentes de corrente

fotogerada (Iph ) e corrente no diodo (ID). Fonte: (ALTENER, 2004).

Uma célula solar não iluminada é representada por um diodo no diagrama de

circuito equivalente. Neste contexto, também é aplicável a curva característica do

diodo como a representadana Figura 13.

Para uma célula solar de silício monocristalino, pode-se assumir uma tensão

limiar de condução de aproximadamente 0,6V e uma tensão de bloqueio de 12 a 50

V, dependendo da qualidade do material da célula, como representado na Figura 15.

39

Figura 15 – Diagrama do circuito equivalente e curva característica da célula irradiada.

Fonte: (ALTENER, 2004)

A Tabela 4 indica alguns parâmetros que são analisados no circuito equivalente

mostrado na Figura 15.

Tabela 4 - Parâmetros do circuito fotovoltaico. Fonte: (ALTENER, 2004).

Parâmetros Símbolo Unidade

Tensões: U V

Tensão nos terminais da célula solar UD V

Tensão no diodo UT V

Correntes:

Corrente nos terminaisda célula solar I A

Corrente do diodo ID A

Corrente de saturaçãodo diodoinversamentepolarizado IS A

Fotocorrente IPH A

Corrente através da resistênciaemparalelo IP A

Fator do diodo m

Coeficiente da fotocorrente C0 m²/V

Irradiância solar E W/m²

Resistênciaemparalelo RP Ω

Resistênciaemsérie RS Ω

A corrente no diodo, ID, é responsável por manter o nível estabilizado de tensão

de saída da célula. I é a corrente de saída da célula, gerada a parte dos portadores

majoritários e depende do nível de iluminação, assim,

I = IPH – ID (2)

40

ID = I0 (exp( eV/mkT) -1) (3)

Onde:

I0 - Corrente de saturação reversa do diodo no escuro;

V - Tensão aplicado ao diodo;

e - Carga do elétron;

m - Fator de idealidade do diodo (entre 1 e 2 para o silício monocristalino);

k - Constante de Boltzmann;

T - Temperatura absoluta da célula.

Desta forma, substituindo equação (3) em (2),a corrente na célula será:

I= IPH - I0 (exp(eV/mkT) -1) (4)

No caso de curto-circuito (ISC), a tensão será V = 0, a corrente da célula é a

própria corrente gerada (fotocorrente).

I= IPH (5)

No caso de circuito aberto tem-se I = 0, a célula se autopolarizará com uma

tensão tal que a corrente de polarização equilibre a fotocorrente. Esta é chamada

tensão de circuito aberto (VOC) (EISBERG e RESNICK, 1979).

A Figura 16 representa o modelo elétrico de uma célula real.

Figura 16 – Diagrama completo do circuito equivalente real. Fonte: (ALTENER, 2004).

Uma célula real difere de uma célula ideal por apresentar alguns fatores de

perdas. Essas perdas são apresentadas pela resistência em série (Rs) e em

paralelo (Rp) inseridas no modelo ideal. A resistência em série se deve a

resistividade do corpo do material, a resistência da lâmina da camada difundida e a

resistência dos contatos metálicos (ALVARENGA, 2004). A resistência em paralelo

se deve aos defeitos da junção. Isto resulta nas seguintes equações:

I = IPH – ID - IP (6)

41

Onde:

IP representa as correntes de fuga.

A equação da corrente então pode ser escrita como, substituindo a equação (3)

em (6) e acrescentando IP :

I= IPH - I0 (exp( eV/mkT) -1 – ( (V+IRS) / RP ) (7)

2.2.3 Curva Característica I x V de Uma Célula Fotovoltaica

Esta curva é responsável por definir todos os parâmetros de uma célula ou de

um módulo fotovoltaico.

A norma NBR 10899define a curva característica tensão x corrente como “a

representação dos valores da corrente de saída de um conversor fotovoltaico, em

função da tensão, para condições pré-estabelecidas de radiação, temperatura”

(ABNT, 2006).

A análise da curva I x V é de fundamental importância na caracterização de um

gerador fotovoltaico, pois a partir dela é possível obter os principais parâmetros que

determinam sua qualidade de desempenho.

A curva I x V de uma célula solar é o resultado da superposição da fotocorrente

com a curva gerada num diodo (escuro). Quando a luz incide na célula, há um

deslocamento desta curva para o quarto quadrante, que significa geração de

energia.

As Figuras 17, a) a d), apresentam as curvas de uma célula solar fotovoltaica

sob diversas condições de iluminação.

A Figura 17 a) mostra a curva da célula no escuro, que apresenta as mesmas

características que um diodo semicondutor; a Figura 17 b), com a célula iluminada, a

curva IxV se desloca para o 40 quadrante; a Figura 17 c) mostra que quanto maior a

intensidade da radiação, maior é o deslocamento da curva.

A Figura17 d)mostra a curvaIxV, por convenção rebatida sobre o eixo das

tensões, tomando o 1º quadrante, denominado quadrante de geração.

42

Figura 17 – Curvas de uma célula solar fotovoltaica. Fonte: ALTENER 2004

A Figura 18 mostra uma curva característica IxV, típica de uma célula de silício

monocristalino, rebatida sobre os eixos de corrente e tensão, que é a forma mais

comum de apresentar os parâmetros elétricos da célula.

Figura 18- Curva característica de uma célula de silício monocristalino.Fonte: RICETTA, 2010.

A Figura 18 apresenta dois pontos notáveis: tensão de circuito aberto, VOC, que

é a tensão entre os terminais da célula iluminada quando a corrente que circula por

ela é nula, e corrente de curto-circuito, ISC, corrente que circula por uma célula

iluminada quando a tensão em seus terminais é nula. Esses parâmetros são

definidos pelo fabricante.

43

A Figura 19 representa um outro ponto notável, o ponto de potência máxima

(PM), que é o ponto da curva IxV para o qual o produto tensão x corrente é máximo.

A especificação da potência de um módulo é dada em WP (watt pico), associada às

condições padrão de testes (STC – Standard Test Conditions): radiação de

1.000W/m2, temperatura de célula de 250C e Massa de Ar igual a 1,5. Para cada

ponto na curva I x V, o produto corrente x tensão representa a potência gerada para

aquela condição de operação.

Figura 19 - Curva típica de potência x tensão de uma célula de silício monocristalino.

Fonte: RICETTA, 2010.

Como se observa na Figura 19, para uma célula fotovoltaica e

consequentemente, para o módulo, existe somente um valor de tensão (e o

correspondente de corrente) para o qual a potência máxima pode ser extraída. Não

existe geração de potência para condição de circuito aberto e curto circuito, uma vez

que tensão e corrente são zero. A tensão de circuito aberto, VOC, e a corrente de

curto-circuito, ISC, são respectivamente: máxima tensão e corrente possíveis de

serem obtidas de uma célula fotovoltaica ou de um módulo fotovoltaico.

O ponto de potência máxima, PMP, corresponde ao produto da tensão de

potência máxima (VMP) e a corrente de potência máxima (IMP). Os valores PMP, VMP,

IMP, VOC e ISC são os cinco parâmetros que especificam um módulo fotovoltaico sob

determinadas condições de irradiância (W/m2), temperatura de operação e massa

de ar (MA).

A Figura 20 mostra a curva característica I x V superposta à curva de potência

mostrada na Figura 19 para análise dos parâmetros.

44

Figura 20– Parâmetros de Potência Máxima. Fonte: (CEPEL, 1999)

A corrente de curto-circuito depende linearmente da irradiância. Se a

irradiância duplicar, a corrente também duplica. Este fato justifica alinha reta do

gráfico que apresentado na Figura 21. A tensão de circuito aberto mantém-se

relativamente constante enquantoa irradiância varia. Apenas quando a irradiância

desce abaixo de 200W/m2, a tensão sofre uma queda pronunciada. A relação

matemática entre a tensão e a irradiância numa célula solar cristalina é uma função

logarítimica.

Figura 21 – Tensão de circuito aberto e corrente em função dairradiância. Fonte: (ALTENER 2004).

O fator de forma (FF) é um indicador da qualidade das células solares. É

definido como um quociente entre a potência (Pmp) e a potência máxima teórica que

é igual ao produto da corrente de curto-circuito pela a tensão de circuito aberto.

45

FF =Imp x Vmp =Pmp

Isc x VocIsc x Voc

Para células solares cristalinas, o fator de forma tem um valor que se situa

entre 0,75 e 0,85. Graficamente, o fator de forma pode ser determinado como sendo

a razão entre a área B e a área A, mostradas na Figura22.

Figura 22 - Fator de forma das células solares. Fonte: ALTENER, 2004.

Conhecida a curva característica I x V de uma célula ou módulo pode-se

calcular:

• Potência Máxima PMP = IMP x VMP

• Eficiência η = (IMP x VMP) / (A x G)

• Fator de Forma FF = (IMP x VMP) / (ISC x VOC)

Onde:

A = Área útil da célula ou módulo (m2);

G = Irradiância incidente (W/m2).

A Figura 23 indica a variação da corrente e da tensão numa célula fotovoltaica

de silício, em função da variação de temperatura de 25 até 55ºC, sob irradiância

constante, igual a 1.000 W/m2.

46

Figura 23 - Efeito da variação da temperatura no comportamento de uma célula fotovoltaica. Fonte:

RICETTA, 2010

Observa-se na Figura 23 que a corrente de curto circuito, ISC, sofre um ligeiro

aumento com o aumento da temperatura. Esta variação da corrente é especificada

por meio do coeficiente de temperatura de corrente, normalmente simbolizado por α.

Ainda na Figura 23 observa-se também que a tensão Voc diminui com o aumento da

temperatura. Essa variação é especificada por meio do coeficiente de temperatura

de tensão, normalmente simbolizado por β.

As variações de ISC e VOC em função da temperatura afetam a potência

fornecida pela célula (e pelo módulo), pois o aumento da corrente não compensa a

diminuição da tensão e portanto, tem-se diminuição da potência da célula com o

aumento da temperatura.

Os coeficientes de temperatura são normalmente especificados na folha de

dados do fabricante como mostrado na Tabela 5 com os dados de coeficiente de

temperatura obtidos da folha de dados do módulo fotovoltaico do fabricante Yingli.

Tabela 5 – Exemplo de valores dos coeficientes de temperatura (módulo fotovoltaico Yingli). Fonte: (YINGLI, 2013)

Coeficiente Símbolo Unidade Valor

Coeficiente de temperatura de Pmax Ƴ % / 0C -0,45

Coeficiente de temperatura de Voc βVoc % / 0C -0,33

Coeficiente de temperatura de Isc Isc % / 0C 0,06

Coeficiente de temperatura de Vppm βVppm % / 0C -0,45

47

2.2.4 Módulos fotovoltaicos

Um conjunto de células fotovoltaicas interligadas em série, como representado

na Figura 24, e acondicionadas para resistir à exposição ao ar livre e intempérie, é

denominado módulo fotovoltaico.

Figura 24 - Células em série para formar um módulo fotovoltaico. Fonte: (ALTENER, 2004).

A principal especificação de um módulo é a potência nominal, que é a potência

de saída medida sob as condições-padrão para ensaio.

A Figura 25 ilustra uma vista em corte de um módulo fotovoltaico típico,

indicando as partes componentes.

Figura 25 – Visão em corte de módulo fotovoltaico. Fonte: (Siemens, 1996).

A Figura 26 ilustra um módulo fotovoltaico de 72 células, típico para uso em

sistemas conectados a rede.

48

Figura 26 - Exemplo de módulo fotovoltaico de 72 células.Fonte:(SIEMENS, 1996)

2.2.5 Sistemas fotovoltaicos

O conjunto de elementos necessários para realizar de forma prática a

conversão da energia solar diretamente em energia elétrica é denominado

genericamente de sistema fotovoltaico, sendo destinado a gerar energia elétrica com

características adequadas para alimentar aparelhos elétricos e eletrônicos, tais

como lâmpadas, eletrodomésticos, motores e outros.

O principal componente de um sistema fotovoltaico é o módulo fotovoltaico. O

sistema pode ser constituído por um ou mais módulos. Dependendo da aplicação, o

sistema pode incluir dispositivos para controle, armazenamento, supervisão e

condicionamento de energia elétrica.A Figura 27 mostra a montagem dos módulos

para constituir um sistema fotovoltaico.

49

Figura 27 - Montagem dos módulos de um sistema fotovoltaico. Fonte: (ALTENER, 2004)

Os sistemas fotovoltaicos podem ser classificados, com relação ao modo como

é utilizada a radiação solar, em dois grupos:

sistema sem concentrador (SFV); e,

sistema com concentrador (SFVC).

Os sistemas fotovoltaicos sem concentrador utilizam a radiação solar de

forma natural, tal como chega à superfície das células fotovoltaicas. Nos sistemas

com concentrador, a radiação solar é coletada, com o auxílio de dispositivos ópticos

específicos, concentrada e focalizada sobre a superfície das células, cuja área é

bastante reduzida se comparada com a área das células dos sistemas sem

concentrador. Outra classificação está relacionada à conexão com a rede elétrica

pública de fornecimento de energia, que abrangetambém dois grupos (ABNT, 2006):

sistemas isoladose

sistemas conectados à rede.

Os sistemas fotovoltaicos isolados são normalmente instalados em localidades

afastadas dos grandes centros, que não possuem o serviço público de distribuição

de energia elétrica e normalmente possuem elementos para armazenar energia

(banco de baterias). O banco de baterias destina-se a armazenar a energia gerada

durante as horas de sol e fornecê-la nos períodos nos quais não há radiação solar.

Neste caso, o painel é dimensionado para recarregar as baterias e fornecer energia

para os aparelhos consumidores ao mesmo tempo.

O fornecimento de energia aos aparelhos consumidores pode ser em corrente

contínua (CC) ou em corrente alternada (CA) com a utilização de um inversor.

A Figura 28 apresenta o diagrama com os componentes básicos deste tipo de

sistema, para fornecimento em corrente alternada (CA).

Figura 28 – Diagrama com os componentes básicos de um sistema fotovoltaico isolado. Fonte: (VIANA, 2010).

Painel

Fotovoltaico

_

+

Inversor

Para os

consumidores

Controladorde carga

Banco de Baterias

50

O controlador de carga é um aparelho eletrônico destinado a controlar e

monitorar a carga e/ou a descarga do banco de baterias e o inversor é o aparelho

que converte a tensão contínua (CC), proveniente do painel fotovoltaico ou do banco

de baterias, em tensão alternada (CA) com características adequadas para

alimentação de aparelhos elétricos e eletrônicos.

Os sistemas conectados à rede possuem ligação com a rede elétrica pública,

na qual a energia gerada é injetada e, nesse caso, não há necessidade de banco de

baterias.

A Figura 29 apresenta o diagrama com os componentes básicos de um sistema

conectado à rede.

Figura 29 – Diagrama com os componentes básicos de um sistema fotovoltaico conectado à rede. Fonte: VIANA, 2010.

A potência fotovoltaica instalada com sistemas conectados à rede (SFVCR)

atingiu o total de 102 GWp no mundo, em 2012, conforme indicadona Figura 30

(EPIA, 2013).

Figura 30 - Potência fotovoltaica instalada no mundo (102 GWp). Fonte: (EPIA, 2013).

Inversor

Painel

Fotovoltaico

_

+ Para a rede

elétrica

51

Desse total de 102 GWp, cerca de 70 GWp está instalado na Europa, sendo

que a Alemanha conta com aproximadamente 32 GWp, conforme assinalado na

Figura 31 (EPIA, 2013).

Figura 31 - Potência fotovoltaica instalada na Europa. Fonte: (EPIA, 2013).

2.2.6 Inversor para sistemas fotovoltaicos conectados à rede

O inversor para sistemas fotovoltaicos conectados à rede é especialmente

projetado e construído de modo que, ao detectar a presença da rede passa a operar,

convertendo a tensão contínua (CC), vinda do módulo fotovoltaico, em tensão

alternada (CA) e injeta a energia gerada diretamente na rede pública. Por meio de

amostragem da rede, o circuito interno do inversor copia a rede em frequência e

tensão, possibilitando assim sincronizar as duas fontes. Caso a rede elétrica seja

desenergizada pela concessionária ou o inversor seja desconectado da rede, este

se desliga automaticamente, cessando o fornecimento de energia e garantindo total

segurança em caso de manutenção da rede (LOPES, 2012).

O inversor é o coração de um sistema fotovoltaico conectado à rede. Os

inversores podem ser classificados em:

• Com transformador;

• Sem transformador;

• Monofásicos; e,

• Trifásicos.

~32 GW

52

Os inversores utilizam dispositivos de disparo controlado, como por exemplo,

transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) ou transistor

bipolar de porta isolada (IGBT), para processar a tensão contínua (CC) proveniente

dos módulos fotovoltaicos e produzir a tensão alternada (CA) controlada, em

sincronismo e de mesma amplitude que a da rede à qual estejam conectados. Uma

unidade de controle microprocessada proporciona essas e outras funções adicionais

de proteção. Quanto ao uso de transformador de saída, este deverá ser de alta

eficiência. A presença do transformador proporciona isolação galvânica entre a

entrada e a saída do inversor e, em alguns países, é uma exigência da

concessionária local.

As principais características dos inversores para conexão à rede são:

1) Potência (kW) - Os inversores são fabricados em diversas potências, dependo

do modelo e aplicação. Em baixa tensão porexemplo: 120V, 220V em 50 Hz, 60

Hz. Para potências elevadas normalmente são trifásicos. Poderão incorporar

diversos tipos de topologias de proteção.

2) Eficiência - Indica qual proporção da energia da entrada (CC) é transformada em

energia alternada (CA) na saída do inversor. Os inversores são concebidos para

alta eficiência, a qual se situa atualmente acima de 94% podendo chegar a 98%.

Isto é obtido principalmente através da técnica de controle PWM (pulse

widthmodulation), que é aplicada à ponte comutadora, e aos novos elementos

de potência que possuem baixas perdas ao fazer a conversão da energia CC em

CA.

3) Otimização do aproveitamento da potência dos módulos - Esta característica

assegura que os módulos fotovoltaicos estarão sempre operando no ponto de

potência máxima (PPM) da curva dos módulos. Como a temperatura e irradiação

estão constantemente variando, ou seja, alterando a curva I x V, o inversor

dispõe de um dispositivo que altera a impedância de entrada do inversor,

ajustando constantemente para as novas condições elétricas dos módulos,

mantendo o PPM. Esse circuito é denominado “seguidor do ponto de máxima

potência”, simbolizado por MPPT (do inglês, Maximum Power Point Tracker), o

qual por meio de software monitora e persegue o PPM.

4) Entrada para várias séries de módulo - Isto possibilita que mais de uma série de

módulos possa ser conectada à entrada do inversor. Cada série possuirá um

53

dispositivo MPPT exclusivo, de modo que poderão ser usados módulos

fotovoltaicos instalados em diferentes situações ou séries de módulos diferentes.

5) Monitoramento e segurança - Várias ações podem ser previstas como:

desconexão e conexão automática (com carga); monitoramento local e remoto

da potência e da rede utilizando meio físico e wireless;

6) Proteções - Várias funções podem ser incorporadas, como relés de proteção

para verificação de sincronismo e subtensão respectivamente e desligamento

automático por alteração de parâmetros previamente ajustados. Os

equipamentos certificados seguem normas específicas que estabelecem um

grau de proteção mínimo.

7) Distorção harmônica total (THD) - Normalmente menor ou igual 3%. Esta

característica e função principalmente da eficácia e qualidade dos filtros do

inversor.

8) Confiabilidade de operação - Inversores para utilização em ambiente externo

devem ter grau de proteção IP 651.

9) Dispositivo antiilhamento - Apresentam um dispositivo de segurança que, na

ausência de rede se desconectam, proporcionando segurança à mesma e aos

usuários. Isto é principalmente útil quando se deseja realizar manutenção no

sistema fotovoltaico (LOPES, 2012).

A Figura 32 apresenta o diagrama de blocos básicos de um inversor

monofásico, fase/neutro/terra, de baixa potência.

1 IP 65: Índice de proteção que significa proteção total contra o contato com partes vivas, sob tensão

ou em movimento, bem como contra a penetração de pó e jatos de água projetados por bocal, proveniente de qualquer direção sob as condições prescritas.

54

Figura 32 – Diagrama de blocos de um inversor para conexão à rede. Fonte:(SMA, 2012)

O inversor mostrado na Figura 33 é composto pelos os seguintes módulos:

1) Módulo de proteção de rede (grid guard), que possui um transformador de saída

cuja função é isolar galvanicamente o inversor da rede e compatibilizar os níveis

de tensão do inversor à tensão da rede. Possui dispositivos de conexão de saída

eletrônico, alta velocidade, que podem ser de semicondutores, transistores ou

relés eletrônicos de alta velocidade, cuja função é conectar/desconectar o

inversor da rede (isolação física).

2) Módulo de comutação controlado, composto por uma ponte de comutação

(bridge) com4 transistores de potência de alta velocidade, que a partir da

alimentação CC proveniente dos módulos fotovoltaicos e do módulo de controle,

realizam um chaveamento sincronizado dos transistores da ponte, dois a dois,

comutando a tensão CC no primário do transformador de saída, produzindo uma

tensão alternada no secundário do transformador, em sincronismo e compatível

com a rede.

3) Módulo seguidor de máxima potência dos módulos fotovoltaicos (MPP Tracking),

que através de um software residente, monitora as condições de temperatura e

irradiância e ajusta a impedância de entrada para o ponto de máxima potência da

curva característica do módulo fotovoltaico.

55

4) Módulo de entrada para strings (plug connection) composta de 3 entradas para

strings.

5) Módulo de HMI (interface homem máquina) que permite visualizar e configurar os

parâmetros de controle e proteção (dos módulos fotovoltaicos, inversor e rede)

através de um mostrador (display). O mostrador também tem a função de contar

os kWh gerados além de possuir uma memória de registro de eventos que é

usado para rastreamento de ocorrências.

6) Módulo de interface e comunicação (interface / communication) composto por um

canal de comunicação RS 485 ou de fibra óptica que permite comunicação

remota ou conexão de um handheld ou lap top para ajuste, leitura de parâmetros

setados ou uploud de eventos memorizados.

7) Módulo de aterramento (grouding) para ser conectado ao ponto de terra

(aterramento) do local. Este módulo monitora eventuais correntes de fuga

negativa e positiva para carcaça do inversor, causando sinalização ou

desligamento do inversor. (PEREIRA, 2011).

56

3. METODOLOGIA

3.1 Obtenção de bancos de dados de irradiação

Para a obtenção de bancos de dados solarimétricos inicialmente foi consultado

o Instituto Nacional de Meteorologia de Moçambique (INAM).

O INAM realiza medições por meio de suas estações situadas na costa e no

interior produzindo dados solarimétricos referentes às capitais moçambicanas. São

ao total onze estações que efetuam o registro da radiação total inclinada e direta

normal, das quais 6 também efetuam o registro da radiação difusa e horizontal. Os

órgãos governamentais e de pesquisa são abastecidos pelas informações

disponíveis no banco de dados desse instituto. Os instrumentos de medição são

calibrados periodicamente e os dados são considerados oficiais. As informações

apresentadas correspondem ao período dejaneiro de 1970 a dezembro de1998.

A segunda fonte de dados solarimétricos consultada foi do NREL

(NationalRenewable Energy Laboratory), do Departamento de Energia (DOE) norte-

americano.

O banco de dados do NREL fornece o valor da média diária, mensal e do total

anual de irradiação no continente africano para áreas na superfície terrestre,

denominadas células, com aproximadamente 40 km por 40 km.

Os dados para cada célula foram obtidos por meio do Modelo Climatológico de

Radiação Solar, CSR (do inglês, Climatological Solar RadiationModel) desenvolvido

pelo NREL, que recebeu informações do período de 01/01/1985 a 12/31/1991. O

valor do recurso solar de cada célula é apresentado em watt-hora por metro

quadrado por dia (Wh/m2/dia) para cada mês.

O modelo CSR utiliza informações sobre a cobertura de nuvens, vapor d’água

e gases existentes na atmosfera e a quantidade de aerossóis, para calcular a média

diária mensal de irradiação que incide sobre uma superfície horizontal.

Os dados estimados pelo modelo CSR são validados por meio de medições

feitas por estações terrestres. Os valores de irradiação são modelados com uma

precisão de, aproximadamente, (+ -) 10% do valor real medido no interior da célula,

devido às incertezas associadas com os dados de entrada para o modelo

meteorológico. A cobertura de nuvens local pode variar significativamente, mesmo

dentro de uma única célula, como resultado dos efeitos do terreno e outras

influências microclimáticas.

57

As Figuras 33, 34 e 35 apresentam o mapa de Moçambique dividido em três

regiões - Norte, Centro e Sul. Cada região do mapa está dividida em células

correspondentes às coordenadas (longitude e latitude) do centro da área coberta

pelas células. Cada célula possui uma numeração correspondente a uma linha no

banco de dados, a qual apresenta os valores de irradiação do local. As capitais

estão representadas por uma célula em vermelho com as coordenadas

correspondentes (NREL, 2012).

Figura 33 - Mapa da região Norte de Moçambique (NREL, 2012)

58

Figura 34 - Mapa da região central de Moçambique. Fonte: (NREL, 2012)

Figura 35 - Mapa da região Sul de Moçambique. Fonte: (NREL, 2012)

59

Os valores de irradiação obtidos para cada capital foram tabelados e

elaborados gráficos para visualização dos valores das médias diárias mensais

(kWh/m2/dia) e os totais anuais (kWh/m2/ano) de irradiação global horizontal,

inclinada, direta normal e difusa.

3.2 Elaboração de mapas solarimétricos

Inicialmente foram analisados os dados para construir a escala de valores e a

paleta de cores.

Tendo em vista realizar comparação com o potencial solarimétrico de outros

países como, por exemplo, os europeus, procurou-se utilizar uma paleta de cores

semelhante à dos mapas elaborados pela Comissão Européia, no JRC (Joint

Research Centre Institute for Energy, Renewable Energy Unit) conforme observada

nos mapas disponíveis no site http://re.jrc.ec.europa.eu/.

A Figura 36 apresenta, a título de exemplo, o mapa de irradiação total inclinada

(em kWh/m2/ano) e de potencial estimado de geração fotovoltaica (em

kWh/kWp/ano) para a Alemanha. O mapa apresenta o valor do total anual de

irradiação incidente em uma superfície inclinada, cujo ângulo é ajustado para

otimizar a geração fotovoltaica.

http://re.jrc.ec.europa.eu/

60

Figura 36 - Mapa irradiação total inclinada e de potencial estimado de geração fotovoltaica para a Alemanha.Fonte: http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

3.3 Estimativa da geração de energia de sistemas fotovoltaicos conectados a

rede (SFVCR)

O desempenho dos módulos fotovoltaicos é influenciado pela temperatura. Por

isso foram levantados os valores médios de temperatura mínima e máxima das

capitais para verificar se ficavam em faixas muito elevadas, acima de 40 ou 45ºC.

Os resultados, apresentados nas Figuras 37, 38 e 39, apresentam as médias

mensais dastemperaturas mínimas e máximas de três cidades - Tete, Inhambane e

Chokwe, obtidas com dados do período de 1971 a 2010.

61

Figura 37- Variação da temperatura na cidade de Tete. Fonte: (INAM, 2012)

Figura 38 - Variação da temperatura na cidade de Chokwe. Fonte: (INAM, 2012)

62

Figura 39- Variação da temperatura na cidade de Inhambane. Fonte: (INAM, 2012)

Comparando-se os dados contidos nas Figuras 37, 38 e 39,verificou-se que a

cidade de Tete é a que apresenta os maiores valores de temperatura média, tanto

mínima quanto máxima, de 24,3 e 34,8ºC respectivamente, não apresentando

valores extremamente elevados. As outras capitais apresentaram temperatura média

mínima inferior a 22ºC e máxima inferior a 32ºC.

A eficiência ou rendimento de um sistema elétrico é normalmente definida

pela razão entre a energia cedida ao sistema (Ei) e a energia de saída do sistema

(Eo), sendo simbolizada pela letra grega “eta”, η:

η = Eo / Ei

A energia de saída do sistema é, portanto:

Eo = Ei .η

Em um sistema fotovoltaico conectado à rede (SFVCR) a energia de saída,

Eo, é função da energia vinda do painel fotovoltaico, EFV, da eficiência do inversor,

ηINV, e de diversos fatores ambientais, tais como temperatura, composição espectral

63

da radiação solar, poeira e outros, os quais influenciam diretamente o desempenho

dos módulos fotovoltaicos.

Para determinar o rendimento ou desempenho final de um SFVCR todas as

perdas, relacionadas aos valores nominais utilizados nos cálculos, devem ser

consideradas. Desse modo, às perdas ocorridas nos módulos, devidas aos fatores

citados, somam-se as perdas no inversor, devidas principalmente à temperatura,

além de outras perdas elétricas, que ocorrem nos condutores e conexões. A maior

parte desses fatores é de difícil determinação, seja pela dificuldade de medição

(efeito da poeira, por exemplo) ou pela sua sazonalidade. Nesse texto todos esses

fatores serão representados por KTOT e a expressão para estimar a energia gerada

por um SFVCR (Eo), em um determinado período, é:

Eo = EFV . KTOT (1)

onde: Eo- Energia estimada obtida na saída do SFVCR

EFV - Energia fornecida pelo painel fotovoltaico

KTOT - Fator que agrupa todas as perdas nos diversos

componentes do sistema fotovoltaico.

O fator KTOT representa, portanto, todas as perdas em um SFVCR devidas

aos diversos fatores que afetam a todos os seus componentes:

• Desvio de potência nominal dos módulos em relação ao valor nominal;

• Efeitos da temperatura sobre os módulos e inversor;

• Variações sazonais do espectro solar;

• Perdas por descasamento entre módulos;

• Eficiência do inversor menor que 100%;

• Acúmulo de sujeira nos módulos e

• Perdas ôhmicas em condutores e conexões.

A energia fornecida pelo painel fotovoltaico, EFV, é função da energia recebida

pelo mesmo (Ei), que é a energia proveniente do Sol, ou seja, a irradiação solar para

o período considerado (HTOT); da área do painel (AFV) e da eficiência dos módulos

(ηFV). Assim, tem-se, conforme VIANA, 2012:

EFV = Ei .AFV .ηFV (2)

64

EFV = HTOT .AFV .ηFV (3)

A eficiência dos módulos fotovoltaicos, ηMOD, é dada pela expressão (ABNT

2006):

ηMOD = PMOD / (AMOD . GSTC) (4)

onde: PMOD- Potência nominal do módulo

AMOD - Área do módulo

GSTC - Irradiância de ensaio, igual a 1.000 W/m2

Considerando a eficiência do painel fotovoltaicoigual à do módulo e

substituindo (4) em (3) tem-se:

EFV = HTOT .AFV . (PFV / AFV . GSTC)

EFV = (HTOT . PFV) / GSTC (5)

Substituindo (5) em (1) tem-se:

Eo = (HTOT .PFV) / GSTC . KTOT

. (6)

A expressão (6) mostra que a geração de energia estimada para um SFVCR

tem um valor teórico, que é função direta da potência fotovoltaica instalada (PFV) e

da energia recebida do Sol (HTOT), multiplicado pelo fator KTOT, que engloba as

perdas já mencionadas anteriormente.

O fator KTOT representa a denominada Taxa de Desempenho (TD) do

SFVCR, cujo valor pode ser obtido de forma experimental, considerando

normalmente o período de um ano e a energia gerada (Eo) nesse período. A Taxa de

Desempenho é denominada Performance Ratio (PR) em inglês.

65

Assim, fazendo KTOT igual a TD, tem-se a expressão para estimar a energia

gerada por um SFVCR em determinado período (normalmente considera-se um mês

ou um ano) (VIANA, 2012), (SÚRI, 2007):

.TD (7)

O valor de TD é calculado, a partir de (7), por:

(8)

O valor da TD de um SFVCR representa todas as perdas que ocorrem no

mesmo ao converter a energia solar para energia elétrica (VIANA, 2012). Os valores

típicos de TD, obtidos em medições realizadas em centenas de SFVCR operando

em boas condições, estão situados entre 0,70 a 0,85 (SÚRI, 2007).

Na estimativa preliminar de um SFVCR normalmente utiliza-se o valor da taxa

de desempenho igual a 0,75 (75%) (VIANA, 2012).

Para estimar a geração anual de energia fotovoltaica, em kWh/kWp, para as

capitais moçambicanas, aplicou-se a equação (8) utilizando-se os dados

solarimétricos de cada capital, considerando um sistema fotovoltaico com PFV de 1

kWp e taxa de desempenho (TD) igual a 0,75.

66

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Irradiação solar em Moçambique

O primeiro levantamento dos valores de irradiação solar para as capitais

moçambicanas foi realizado a partir do banco de dados do INAM – Instituto Nacional

de Meteorologia de Moçambique.As Tabelas 6, 7 e 8 listam as capitais, com as

coordenadas consideradas e os valores da irradiação total inclinada, direta normal e

difusa média diária mensal e anual em kWh/m2/dia.

Tabela 6 - Irradiação total inclinada (HTOT)nas capitais de Moçambique. Fonte de dados: (INAM, 2012)

Cidade Localização Irradiação Total Inclinada (kWh/m²/dia)

lat long jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez Med

Maputo 25°58´ 32°36´ 7.7 7.3 6.4 5.3 4.4 3.9 4.1 4.9 5.8 6.7 7.1 7.7 5.9

Qulimane 24°44´ 33°32´ 7.6 7.3 6.5 5.5 4.6 4.0 4.3 5.1 6.0 6.7 7.2 7.6 6.0

Chokwe 24°33´ 33°00´ 7.5 7.1 6.4 5.5 4.6 4.2 4.3 5.1 5.9 6.6 7.1 7.6 5.9

Inhambane 23°52´ 35°23´ 6.6 6.6 5.7 4.8 4.0 3.6 3.8 4.4 5.2 6.0 6.4 6.7 5.3

Beira 19°48´ 34°54´ 6.5 6.2 5.7 5.1 4.4 3.9 4.1 4.7 5.5 6.1 6.4 6.5 5.4

Chimoio 19°07´ 32°28´ 5.9 5.9 5.4 5.2 4.7 4.2 4.0 4.9 5.4 5.8 5.8 5.3 5.2

Tete 16°11´ 33°35´ 7.0 7.1 6.8 6.2 5.5 5.0 5.2 6.0 6.7 7.3 7.7 7.2 6.4

Nampula 15°06´ 39°17´ 6.1 6.0 5.7 5.2 4.6 4.2 4.3 5.0 5.8 6.3 6.5 6.2 5.4

Pemba 12°59´ 40°32´ 6.1 5.9 5.8 5.4 5.0 4.6 5.3 5.3 5.9 6.5 6.7 6.4 5.7

Lichinga 13°18´ 35°14´ 4.1 4.6 4.2 4.5 5.8 4.6 5.4 5.4 6.2 6.2 6.0 4.7 5.1

Tabela 7 - Irradiação direta normal nas capitais de Moçambique. Fonte de dados: (INAM, 2012)

Cidade

Localização Radiação Direta Normal (kWh/m²/dia)

lat long jan fev mar Abr maio

jun jul ago set out nov dez Med

Maputo 25°58´ 32°36´ 5.0 4.8 4.3 3.7 3.1 2.8 2.9 3.4 3.9 4.3 4.5 4.9 4.0

Quilimane 24°44´ 33°32´ 4.9 4.8 4.3 3.8 3.2 2.9 3.0 3.5 4.0 4.4 4.5 4.8 4.0

Chokwe 24°33´ 33°00´ 4.8 4.7 4.3 3.8 3.3 3.0 3.1 3.6 4.0 4.3 4.5 4.8 4.0

Inhambane 23°52´ 35°23´ 3.9 3.8 3.5 3.1 2.7 2.4 2.5 2.9 3.3 3.6 3.8 3.9 3.6

Beira 19°48´ 34°54´ 3.9 3.8 3.6 3.2 2.9 2.6 2.7 3.1 3.5 3.8 3.9 3.8 3.4

Chimoio 19°07´ 32°28´ 3.3 3.5 3.3 3.1 3.1 2.9 2.5 3.2 3.4 3.5 3.3 2.7 3.1

Tete 16°11´ 33°35´ 4.4 4.7 4.6 4.3 3.9 3.5 3.6 4.2 4.6 5.0 5.2 4.6 4.3

Nampula 15°06´ 39°17´ 3.6 3.6 3.5 3.3 3.0 2.7 2.8 3.2 3.7 4.0 4.0 3.7 3.4

Pemba 12°59´ 40°32´ 3.6 3.5 3.5 3.5 3.3 3.0 3.1 3.5 3.8 4.2 4.2 3.9 3.5

Lichinga 13°18´ 35°14´ 1.9 2.3 2.1 2.6 3.1 3.0 2.8 3.5 4.1 3.8 3.5 2.3 2.9

67

Tabela 8 - Irradiação difusa nas capitais de Moçambique. Fonte de dados: (INAM, 2012)

Cidade Localização Irradiação Difusa (kWh/m²/dia)

lat long jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez Med

Maputo 25°58´ 32°36´ 2.7 2.5 2.1 1.7 1.3 1.1 1.2 1.5 1.9 2.3 2.7 2.8 1.9

Quilimane 24°44´ 33°32´ 2.7 2.5 2.1 1.7 1.3 1.2 1.2 1.5 1.9 2.4 2.6 2.8 1.9

Chokwe 24°33´ 33°00´ 2.7 2.5 2.1 1.7 1.4 1.2 1.3 1.5 1.9 2.3 2.6 2.8 2.0

Inhambane 23°52´ 35°23´ 2.7 2.5 2.1 1.7 1.4 2.2 1.3 1.5 1.9 2.3 2.6 2.7 2.0

Beira 19°48´ 34°54´ 2.6 2.5 2.2 1.8 1.5 1.3 1.4 1.7 2.0 2.3 2.6 2.7 2.0

Chimoio 19°07´ 32°28´ 2.6 2.4 2.2 1.5 1.5 1.4 1.4 1.7 2.0 2.3 2.5 2.6 2.0

Tete 16°11´ 33°35´ 2.6 2.4 2.2 1.9 1.6 1.5 1.5 1.8 2.1 2.4 2.5 2.6 2.0

Nampula 15°06´ 39°17´ 2.5 2.4 2.2 1.9 1.6 1.5 1.6 1.8 2.1 2.3 2.5 2.5 2.0

Pemba 12°59´ 40°32´ 2.5 2.4 2.2 2.0 1.7 1.6 1.6 1.8 2.1 2.3 2.5 2.5 2.1

Lichinga 13°18´ 35°14´ 2.3 2.3 2.1 1.9 1.7 1.6 1.6 1.8 2.1 2.3 2.4 2.4 2.0

O segundo levantamento foi realizado no banco de dados do NREL

(NationalRenewable Energy Laboratory). As Figuras 40 a 49apresentam os

resultados do levantamento, em gráficos e em tabelas,com os valores das médias

diárias mensais (kWh/m2/dia) e médias diárias anuais (kWh/m2/dia) de irradiação

direta normal, global horizontal, total (inclinada) e difusa,obtidos para as capitais

moçambicanas.

Figura 40 - Valores das médias diárias mensais e médias diárias anuais de irradiação para a cidade

de Maputo.

68


de Chokwe.


de Pemba.

69


de Tete.


de Nampula.

70


de Lichinga.

Figura 46 -Valores das médias diárias mensais e médias diárias anuais de irradiação para a

cidade deQuelimane.

71

Figura 47 - Valores das médias diárias mensais e médias diárias anuais de irradiação para a

cidade de Beira.


cidade deChimoio.

72


cidade de Inhambane.

Comparando os valores de irradiação média anual(HTOT), em

kWh/m2/diaobtidos para as capitais moçambicanas, nos bancos do INAM e do NREL

(tomado como referência), observou-se que a cidade de Tete apresentou uma

diferença de 18% e as demais cidades, umadiferença inferior a 10%, para mais ou

para menos, entre os valores e em alguns casos não houve diferença, como as

cidades de Lichinga e Beira,conforme apresentado na Tabela 9.

Tabela 9 – Comparação de dados de Irradiação: INAM x NREL.

Cidades NREL

(Referência) (kWh/m

2/dia)

INAM (kWh/m

2/dia)

Diferença (%) INAM

Beira 5.4 5.4 0,0

Lichinga 5.1 5.1 0,0

Tete 5.7 6.4 +18,3

Inhambane 5.8 5.3 -8,6

Maputo 5.5 5.9 +7,3

Chimoio 5.5 5.2 -5,4

Pemba 5.4 5.7 +5,5

Quilimane 5.7 6.0 +5,2

Chokwe 6.0 5.9 -1,6

Nampula 5.5 5.4 -1,6

73

Com base nas diferenças apresentadas na Tabela 9 e no fato dos dados

disponíveis no INAM serem apenas para as capitais moçambicanas, optou-se por

utilizar o banco de dados do NREL. Esse banco de dados cobre todo o território

moçambicano com resolução espacial de 40 km x 40 km, o que permite obter os

valores de irradiação para qualquer região do país a partir das coordenadas do local

desejado.

Os gráficos das Figuras 40 a 49 permitem verificar preliminarmente as

diferentes possibilidades de aproveitamento da radiação solar, observando-se qual

parcela de irradiação solar predomina em cada capital.Para os sistemas

fotovoltaicos conectados à rede a irradiação total inclinada (HTOT) é que permite o

maior aproveitamento ao longo do ano.

A Tabela 10 apresenta os valores das médias diárias anuais (kWh/m2/dia) e do

total anual (kWh/m2/ano) de irradiação total inclinada (HTOT) para as capitais com

base nos dados NREL.

Tabela 10 - Valores das médias diárias anuais e do total anual de irradiação total inclinada para as capitais de Moçambique.

Capital Média diária anual

(kWh/m2/dia) Total anual

(kWh/m2/ano)

Lichinga 5,1 1.850

Beira 5,4 1.980

Maputo 5,5 2.000

Pemba 5,5 2.000

Nampula 5,5 2.000

Chimoio 5,5 2.000

Quilimane 5,7 2.080

Tete 5,8 2.100

Inhambane 5,8 2.100

Chokwe 6,0 2.200

De acordo com a Tabela 10, a cidade de Chokwe é a que apresenta o maior

valor anual de irradiação total inclinada (HTOT), 2.200 kWh/m2/ano, seguida pelas

cidades de Inhambane e Tete, com o valor de 2.100 kWh/m2/ano.

Pode-se separar as cidades em dois grupos: um com valor da média diária

anual acima de 5,7kWh/m2/dia, composto pelas cidades de Quilimane, Tete,

74

InhambaneeChokwe, e outro grupo com valor abaixo de 5,7kWh/m2/dia, composto

pelas cidades de Nampula, Chimoio, Beira, Pemba, Maputo e Lichinga.

Os índices de irradiação total inclinada,apresentados nos gráficos,

principalmente para as cidades de Chokwe, Inhambane, Tete e Quelimaneforam

altos (5,7 a 6,0 kWh/m2/dia). Com isso poderão ser obtidos valores de geração

também altos para estas cidades. Esta faixa de irradiação total inclinada obtida é

superior a muitas regiões européiascomo, por exemplo, a Alemanha, que utiliza

energia solar na produção de eletricidadefotovoltaica.

A Figura 36, usada como exemplo, apresenta o total anual de irradiação

inclinada para Alemanha de, no máximo, 1.400 kWh/m2, enquanto que o menor valor

observadopara Moçambique é de 1.850 kWh/m2/ano e o maior valor é de 2.200

kWh/m2/ano, conforme mostrado na Tabela9. Isto representa que o menor valor de

irradiação inclinadaem Moçambique é cerca de 30% superior ao maior valor da

Alemanha.

Os valores de irradiação obtidos para Moçambique indicam que mesmo nas

cidades cujos índices estão abaixo de 5,7kWh/m2/dia, estes são considerados

apropriados para geração de eletricidade pois a capazidade de geração é superior a

Alemanha.

4.2 Estimativas de Geração Fotovoltaica para Moçambique

Seguindo a metodologia apresentada no item 3.2, foi realizada a estimativa de

geração fotovoltaica para Moçambique, considerando um sistema fotovoltaico

conectado à rede (SFVCR) com potência de 1 kWp e taxa de desempenho (TD)

igual a 0,75. Os resultados da estimativa são apresentados em energia estimada

(kWh), gerada pelo SFVCR de 1 kWp, por mês e por ano (kWh/kWp/mês e

kWh/kWp/ano).

As Tabelas 11 a 20 apresentam os valores de irradiação total inclinada (HTOT)

e geração fotovoltaica estimada, mensal e anual, para as capitais moçambicanas e

as Figuras 50 a 59 mostram os respectivos gráficos de geração estimada.

75

Tabela 11 - Irradiação total inclinada (HTOT) e geração fotovoltaica estimada para Maputo

Figura50- Geração fotovoltaica estimada para Maputo.

Tabela 12 - Irradiação total inclinada (HTOT) e geração fotovoltaica estimada para Inhambane

Figura 51 – Geração fotovoltaica estimada em Inhambane

76

Tabela 13 – Irradiação total inclinada (HTOT) e geração fotovoltaica estimada para Chimoio

Figura 52 – Geração fotovoltaicaestimada em Chimoio

Tabela 14 – Irradiação total inclinada (HTOT) e geração fotovoltaica estimada para Beira

Figura 53 - Geração fotovoltaicaestimada em Beira.

77

Tabela 15 – Irradiação total inclinada (HTOT) e geração fotovoltaica estimada para Quelimane

Figura 54 – Geração fotovoltaicaestimada em Quelimane

Tabela 16 – Irradiação total inclinada (HTOT) e geração fotovoltaica estimada para Lichinga

Figura 55: Geraçãofotovoltaica estimada em Lichinga

78

Tabela 17: Irradiação total inclinada (HTOT) e geração fotovoltaica estimada para Nampula

Figura 56 – Geração fotovoltaicaestimada em Nampula.

Tabela 18 – Irradiação total inclinada (HTOT) e geração fotovoltaica estimada para Chokwe

Figura 57 – Geração fotovoltaicaestimada em Chokwe

79

Tabela 19 – Irradiação total inclinada (HTOT) e geração fotovoltaica estimada para Tete

Figura 58 – Geração fotovoltaicaestimada em Tete

Tabela 20 – Irradiação total inclinada (HTOT) e geração fotovoltaica estimada para Pemba

Figura 59 – Geração fotovoltaicaestimada em Pemba.

80

Os gráficos e tabelas obtidas a partir dos dados solarimétricosdo NREL,

indicamas cidades mais propícias à utilização de energia solar que apresentam

maior média de irradiaçãodiária anual: 5,7 a 6,0 kWh/m2/dia, que são as cidades de

Chokwe, Inhambane, Tete e Quilimane.

De acordo com a Figura 57, Chokwe apresenta maior capacidade de geração,

1,65MWh/MWp/ano, ficando um pouco atrás as cidades de Inhambane, Tete e

Quilimane. A média de irradiaçãodiária anual nestas três cidades, (5,85), está muito

próxima, variando entre 5,7 e 6 kWh/m2/dia. Estes valores tornam estas cidades

muito propícias ao aproveitamento da energia solar através de sistemas

fotovoltaicos conectados à rede para geração direta de eletricidade.

A taxa de desempenho considerada para estimar a geração foi de 0,75,

podendo alcançar em um SFVCR real o valor de 0,85, em função da qualidade dos

materiais e das instalações. Neste caso poderia se estimar em Chowke, uma

geração anual fotovoltaica conectade à rede de 1,85MWh/MWp/ano.

Utilizando os dados do SFVCR proposto de 1kWpobteve-se o potencial de

geração fotovoltaica estimada para cada capital moçambicana, mostrados na Tabela

21.

Tabela 21 - Potencial de geração fotovoltaica estimada para as capitais de Moçambique.

Capital

Geração Fotovoltaica Estimada

(kWh/kWp/ano)

Lichinga 1.380

Beira 1.460

Maputo 1.500

Pemba 1.500

Nampula 1.500

Chimoio 1.500

Quilimane 1.530

Tete 1.570

Inhambane 1.570

Chokwe 1.650

81

4.3 Mapas de Irradiação e de Geração Fotovoltaica para Moçambique

Os resultados apresentados nos itens 4.1 e 4.2 se referem às capitais

moçambicanas, no total de 10 cidades. Para uma melhor visão dos valores de

irradiação e de geração estimada para todo o território, foram elaborados os

seguintes mapas (17 mapas), que são apresentados nas Figuras 60 a 77:

• África - Localização de Moçambique;

• Moçambique - Altitude;

• Moçambique - População;

• Moçambique - Irradiação total inclinada - Mapas mensais com a média

diária;

• Moçambique - Irradiação global horizontal - Mapa com o total anual e

• Moçambique -Irradiação total inclinada - Mapa com o total anual.

Além dos 17 mapas citados foi elaborado um mapa do Brasil, mostrado na

Figura 77, com o total anual de irradiação total inclinada, empregando a mesma

escala de cores e valores para permitir a comparação com as condições

solarimétricas de Moçambique.

A Figura 60 apresenta o mapa da África com a localização de Moçambique

(situado aproximadamente entre os paralelos 10S e 25S).

Figura 60 - Mapa da África mostrando a localização de Moçambique.

82

Figura 61: Mapa de Moçambique com escala de altitude.

A Figura 61 apresenta o mapa de Moçambique com altitudes, no qual se

observa que toda costa voltada para Oceano Índico apresenta baixa elevação em

relação às outras regiões. Este dado deve ser levado em consideração, quando se

fizer um estudo da região para instalar, por exemplo, uma planta de usina solar

fotovoltaica. Em qualquer projeto, grande ou pequeno, deve ser observar o estudo

topográfico para previnir inundações, que normalmente afetam as regiões mais

baixas.

A Figura 62 apresenta o mapa de Moçambique dividido de acordo com suas

províncias e com apresentação de escala de população.Estas informações são

particularmente úteis na avaliação dos beneficios que um SFVCR de grande porte

poderia trazera uma determinada região, principalmente quando se tratar de uma

região de alto potencial de geração.

83

Figura 62: Mapa de Moçambique com escala de população.

Os mapas apresentados nas Figuras 60, 61 e 62, de localização geográfica,

altitude e população, adquirem especial importância na análise macro de uma região

onde se deseja a instalação de um sistema fotovoltaico de grande porte conectado à

rede.

Os mapas solarimétricos das Figuras 63 a 74, elaborados a partir dos dados

obtidos no NREL, mostram os valores da média mensal de irradiação total inclinada

para Moçambique, em kWh/m2/dia, para superfície inclinada com uma inclinação

igual à latitude do local.

84

Figura 63: Mapa de irradiação total inclinada para Moçambique, referente ao mês de Janeiro.

Figura 64: Mapa de irradiação total inclinada para Moçambique,referente ao mês de Fevereiro.

85

Figura 65: Mapa de irradiação total inclinada para Moçambique,referente ao mês de Março.

Figura 66: Mapa de irradiação total inclinada para Moçambique,referente ao mês de Abril.

86

Figura 67: Mapa de irradiação inclinada de Moçambiquereferente ao mês de Maio.

Figura 68: Mapa de irradiação inclinada de Moçambiquereferente ao mês de Junho.

87

Figura 69: Mapa de irradiação inclinada de Moçambiquereferente ao mês de Julho.

Figura 70: Mapa de irradiação inclinada de Moçambique referente ao mês de Agosto.

88

Figura 71: Mapa de irradiação inclinada de Moçambiquereferente ao mês de Setembro.

Figura 72: Mapa de irradiação inclinada de Moçambique referente ao mês de Outubro.

89

Figura73: Mapa de irradiação inclinada de Moçambiquereferente ao mês de Novembro.

Figura 74: Mapa de irradiação inclinada de Moçambique referente ao mês de Dezembro.

90

A Figura 75 apresenta o mapa de Moçambique com o total anual de irradiação

global (horizontal), em kWh/m2/ano.

Figura 75: Mapa de Moçambique com total anual de irradiação global (horizontal).

91

A Figura 76 apresenta o mapa de Moçambique com com o total anual de

irradiação de irradiação total (inclinada), em kWh/m2/ano.

Figura 76: Mapa de Moçambique com o total anual de irradiação total (inclinada).

92

A Figura 77 apresenta o mapa solarimétrico do Brasil com o total anual de

irradiação total (inclinada), em kWh/m2/ano.

Figura 77: Mapa solarimétrico do Brasil de irradiação total(inclinada).

Fonte de dados: (PEREIRA et al., 2006)

A Figura 78 representa o mapa com estimativa de geração anual,em

kWh/kWp/ano, para Moçambique, de acordo com os dados obtidos e as condições

estabelecidas para estimar o potencial de geração.

O valor do total anual da irradiação total inclinada para as capitais

moçambicanas está na faixa de 1.870 a 2.200 kWh/m2/ano, conforme mostrado na

Tabela 10. Este valor é encorajador para aproveitamento da energia solar por meio

de sistemas fotovoltaicos conectados a rede, pois poderá levar a valores de geração

estimada na faixa de 1.380 a 1.647 kWh/kWp/ano, com TD = 0,75.

93

Figura 78: Mapa de Moçambique com potencial estimado de geração anual de energia solar fotovoltaica.

94

Ao observar o mapa solarimétrico da Alemanha mostrado na Figura 36,

verifica-se que o valor máximo de geração fotovoltaica estimada, para módulos

instalados com superfície inclinada (com ângulo igual à latitude) e TD = 0,75, é de

1.050kWh/m2/ano. Esse valor corresponde a cerca de 70% da menor geração

estimada para Moçambique (1.380 kWh/m2/ano), Figura 78.

Note-se que, mesmo com geração estimada máxima ainda não ser elevada, a

Alemanha conta com um terço da potência mundial fotovoltaica instalada com

sistema conectados à rede, que corresponde a cerca de 30 GWp, conforme

mostrado na Figuras 30 e 31.Ressalta-se ainda que a Alemanha nãoé o país

europeu com maior nível de irradiação inclinada, mas é o país com maior potência

instalada, devido a políticas de desenvolvimento sustentável bastante

desenvolvidas, principalmente em relação às energias renováveis, dentre as quais a

energia solar fotovoltaica. Esta postura não se fundamenta na crença de ser esta

uma “energia do futuro”, mas sim na perspicácia em aproveitar este recurso e

desfrutar das facilidades que a natureza dispensou através do Sol para gerar

eletricidade de forma sustentável e preservando o meio ambiente, sendo este último

ponto um fator que o país realmente considera importante.

Comparando o mapa solarimetrico da Figura 76, irradiação inclinada total

anual de Moçambique, com o mapa solarimetrico da Figura 77, irradiação inclinada

total anual do Brasil, verifica-se que as condições de Moçambique são mais

favoráveis a utilização da energia solar. Como foi demonstrado na Figura 76,

Moçambique possui uma faixa de irradiaçãototal inclinada que vai de 1.870 a 2.200

kWh/m2/ano e o observando o mapa da Figura 77 (Brasil), nota-se que são poucas

as regiões nas quais a irradiação total atingiu 2.200 kWh/m2/ano.

O mapa da Figura 72, de irradiação inclinada média diária para o mês de

outubro, apresentou praticamente a mesmairradiação de 6kWh/m2/dia para todo

território moçambicano. De acordo com o desenvolvimento do estudo apresentado,

esta irradiação é alta e correspoderá a uma geração estimada de 1.640 kWh/kWpno

mês. Esta indicação poderá ser utilizada estrategicamente para demandas sazonais

de energia ou que possam ser programadas durante o ano, direcionando maiores

demandas de energia para este mês.

O mapa da Figura 62 apresenta Moçambique dividido em 10 provincias com

as respectivas populações. Observa-se que a província de Tete, localizada no centro

oeste de Moçambique, é uma das regiões de maior população. De acordo com o

95

mapa solarimetrico de irradiação total inclinada anual, apresentado Figura 76, esta é

uma das regiões de maior irradiação, variando de 2000 a 2200 kWh/m2/ano.

Portanto, um sistema de geração fotovoltaica conectado à rede para esta região

poderia disponibilizar energia de forma eficiente.

A Figura 2 e a Tabela 2 apresentam a localização das hidrelétricas e a LT de

Moçambique (Linha de Transmissão (backbone principal). A hidrelétrica de Cahora

Bassa, com potência de 2.070 MW, é a principal de Moçambique. Abastece a África

do Sul e Moçambique e está localizada na província de Tete que apresentou um alto

potencial de geração fotovoltaica. SFVCRs poderiam ser instalados em Tete e

conectados à LT que vai África do Sul aumentando a oferta de energia nesta região.

O mesmo poderia ser feito em relação a hidrelétrica de Massigir, de 40 MW, na

província de Chowke.

O mapa da Figura 75 apresenta o total anual de irradiação global (horizontal)

de Moçambique. Nota-se que na província de Tete existem regiões onde esta

irradiação é elevada chegando a 2.000 kWh/m2/ano.

Com o banco de dados de irradiação inclinada anual e aaplicação da equação

(7) (normalizado para 1kWp) e TD igual a 0,75, foi elaborado o mapa da Figura

78,que representa o potencial estimado de geração de energia fotovoltaica anual

para sistemas fotovoltaicos conectados à rede instalados em Moçambique. Nesse

mapa pode-se rapidamente visualizar o potencial de geração de cada região de

Moçambique. Comparando este mapa com o mapa da Figura 36, potencial estimado

de geração para Alemanha, observa-se o quão grande é o potencial de geração de

Moçambique.Nota-se que a maior geração obtida na Alemanha é de 1.050

kWh/kWp/ano enquanto que em Moçambique chega a 1.650kWh/kWp/ano, ou seja,

60% a mais de geração para a mesma potencia instalada.

96

5 - CONCLUSÃO

O banco de dados solarimétricos obtido no NREL se mostrou confiável e mais

completo quando comparado com banco de dados do INAM, podendo ser usado

para se obter a irradiação diária média anual em qualquer região de Moçambique,

enquanto que o banco de dados do INAM atende apenas às capitais. A partir deste

banco de dados foram elaborados os mapas solarimétricos de irradiação inclinada e

horizontal para Moçambique.

Os mapas solarimétricos apresentados permitem uma rápida visualização do

nível de irradiação total inclinada de todo território moçambicano apresentando não

só o total anual, através da Figura 77, mas também o total mensal através dos

mapas da Figuras, 65 a 74. Isto possibilita estimar a cada mês a produção de

energia através de sistemas fotovoltaicos conetados à rede. Este tipo de

levantamento não foi observado em Moçambique nem na Universidade Eduardo

Mondlane, em Maputo, onde são realizados deversas pesquisas na área de energia

solar FV para Moçambique.

As regiões mais propícias à utilização de energia solar são as que apresentam

maior média de irradiação: 5,8 a 6,0 kWh/m2/dia, que são as cidades de Tete,

Inhambane e Chokwe. No entanto, as demais cidades também apresentam índices

de irradiação adequadosa utilização de energia solar.

Moçambique apresenta valores de irradiação propíciosà geração de energia

solar fotovoltaica, com geração anual estimada na faixa de 1.400 a 1.600 kWh/kWp.

O estudo revelou diferentes possibilidades de aproveitamento da irradiação

solar para geração de energia que poderiam em muito contribuir para que

Moçambique se desenvolva com uma significante parcela de energia solar na sua

matriz energética além de apontar alternativas imediatas de disponibilizar

eletricidade a partir de SFVCR em regiões desprovidas de rede elétrica. Uma

possibilidade importante de obeter recursos é gerar energia nas regiões de alto

potencial, próximas à LT que leva energia a África do Sul, conectar o SFVCR à LT e

comercializar a energia produzida.

Com o sistema SFVCR, combinado a outros tipos de geração convencional

ou não, as cidades de Tete, Inhambane e Chokwepo deriam gerar eletricidade e

trazer grande benefícios à população.

97

O conhecimento das possibilidades de utilização de energia solar fotovoltaica

conectada à rede e das oportunidades que surgirão a partir daí deverão ser maiores

do que os limites impostos hoje à utilização desta energia em Moçambique. Esta

informação deve ser capaz de criar mecanismos suficientemente fortes para se criar

políticas de desenvolvimento sustentável de energia renovável voltadas para médio

e longo prazo. Moçambique tem condição de se destacar na utilização de energia

solar em relação a África e o Mundo e ainda está em tempo de se manter como um

país em desenvolvimento com baixo índice de poluição e mantenedor do meio

ambiente.

98

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ANEXO 1 – Semicondutor de silício e germânio

dopado com impureza tetravalente e pentavalente

para formar semicondutor tipo P e N.

universidade do estado do rio de janeiro -...

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